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動態(tài)時鐘配置下的SoC低功耗管理
摘要：隨著芯片集成度的提高，對一些功能復(fù)雜的系統(tǒng)芯片功耗的管理，已經(jīng)引起大家越來越多的重視，如何控制好SoC的功耗將成為芯片能否成功的重要因素。本文提出一種通過動態(tài)管理時鐘的策略，達到降低整個SoC芯片功耗的目的；同時，分析動態(tài)管理時鐘方案中可能會出現(xiàn)的一些問題，并給出解決方案。關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片 毛刺 AMBA 總線 時滯
引 言
??隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和對消費類電子產(chǎn)品——特別是便攜式（移動）面向客戶的電子產(chǎn)品的需求，推動了SoC（System on Chip）的飛速發(fā)展，也給人們提出了許多新的課題[1]。對于電池驅(qū)動的SoC芯片，已不能再只考慮它優(yōu)化空間的兩個方面——速度（performance）和面積（cost），而必須要注意它已經(jīng)表現(xiàn)出來的且變得越來越重要的第三個方面——功耗[1]，這樣才能延長電池的壽命和電子產(chǎn)品的運行時間。
圖1
SoC中CMOS電路功耗有：一是靜態(tài)功耗，主要是由靜電流、漏電流等因素造成的；二是動態(tài)功耗，主要是由電路中信號變換時造成的瞬態(tài)開路電流（crowbar current）和負載電流（load current）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要來源[3]。(范文先生網(wǎng)adivasplayground.com收集整理)因此，解決好SoC中的動態(tài)功耗是降低整個SoC芯片功耗的關(guān)鍵。本文后面所提到的功耗就是指SoC芯片中的動態(tài)功耗。
如何降低SoC中的功耗，從不同的層面分析會得出不同的解決方案。從芯片的系統(tǒng)級（architecture）角度考慮，有低功耗總線設(shè)計、低功耗存儲系統(tǒng)設(shè)計、低功耗時鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、開發(fā)系統(tǒng)的休息模式、時鐘門控等技術(shù)；從芯片的行為級（RTL）角度考慮，有信號門控、預(yù)前計算、操作數(shù)分離、狀態(tài)機優(yōu)化、并行和流水結(jié)構(gòu)等技術(shù)；從芯片的門級（gate）角度考慮，有緩沖插入、提取因子、單元縮放、管腳交換、相位配置等技術(shù)[4]。從越高的抽象層次去考慮功耗問題，芯片功耗優(yōu)化的幅度就越顯著。
本文所提出的基于動態(tài)配置時鐘的SoC低功耗管理是從芯片的系統(tǒng)級角度考慮的。在最后的實驗中，它非常明顯地降低了整個芯片的功耗。
1 動態(tài)配置時鐘的SoC低功耗管理原理
基于微處理器應(yīng)用的SoC設(shè)計，其復(fù)雜程度變化很大：在一些應(yīng)用中可能需要用到所有的硬件資源，但是在其它的一些應(yīng)用中可能只需要用到其中一部分硬件資源；在一些應(yīng)用中可能需要很高的工作頻率，而在其它的一些應(yīng)用中卻可以大大降低工作頻率。動態(tài)管理SoC系統(tǒng)時鐘的思想就是：不僅動態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時鐘源供給，還可以動態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時鐘頻率。
動態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時鐘源供給就是，根據(jù)不同的應(yīng)用，管理SoC內(nèi)部的硬件資源。簡而言之，就是進行內(nèi)部模塊的開和關(guān)的操作。關(guān)閉單個模塊，可以通過對每個模塊設(shè)置一個使能位，然后對這個使能位編程做到關(guān)閉或打開那個模塊。但這樣做不是最佳的，原因有二：其一，每個模塊的接口部分必須是始終打開的，否則，CPU核無法隨時對它的內(nèi)部寄存器進行編程；其二，通過模塊使能位只是關(guān)閉了它的功能操作，而并沒有把它模塊內(nèi)的時鐘樹關(guān)閉掉，也就是說它里面的時鐘樹依然處于激活狀態(tài)，而時鐘樹所造成的功耗占單個模塊功耗的很大一部分。其實大多數(shù)模塊都是同步系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有操作都是在時鐘信號的節(jié)拍下進行的[5]，關(guān)閉時鐘源能同時達到關(guān)閉模塊和降低功耗的目的。
動態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時鐘頻率則是以不犧牲系統(tǒng)的性能為前提，動態(tài)地管理系統(tǒng)的工作頻率來降低SoC的功耗。時鐘頻率是影響動態(tài)功耗的重要因素：[3]。它的工作頻率越高，功耗也就越大。但在很多時候，所有的模塊并不是工作在同一時鐘頻率，或者同一個模塊在不同的時段可以工作在不同的時鐘頻率。這些就是動態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時鐘頻率的前提。
圖1是整個SoC中的時鐘網(wǎng)絡(luò)（時鐘樹）。圖中的功耗管理模塊（power management module）完成這種功能。
圖3
2 芯片的低功耗工作管理模式
為了更好地實現(xiàn)動態(tài)配置時鐘的SoC低功耗管理策略，芯片在其工作中開發(fā)出了其低功耗管理機制中的四種工作模式：Slow、Normal、Idle和Sleep。下面結(jié)合圖2所示的工作模式流程圖來說明它的工作機制。
表1為四種工作模式的狀態(tài)。
表1
(1)Slow模式
當系統(tǒng)復(fù)位以后或當系統(tǒng)關(guān)掉PLL不需要高速時鐘運行時，系統(tǒng)進入到Slow模式。在Slow模式下，系統(tǒng)中的CPU核和所有模塊的時鐘源都來自晶振。如果這時系統(tǒng)認為有必要關(guān)掉某些模塊，那么,就可以通過配置功耗管理模塊內(nèi)部的寄存器，把相應(yīng)模塊的時鐘源使能位關(guān)掉。
(2)Normal模式
如果在某些應(yīng)用中需要高速時鐘，那么就應(yīng)該切換到Normal模式。在Normal模式下，系統(tǒng)中的CPU核和所有模塊的時鐘源都來自PLL。當然，在這種模式下也可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)掉某些模塊。如果系統(tǒng)需要調(diào)整時鐘的頻率，可以通過動態(tài)配置PLL來實現(xiàn)。但是在動態(tài)配置PLL過程中，要注意這樣一個問題：因為PLL有一個時鐘鎖定的時間，在這段時間內(nèi)，它輸出的時鐘波形是不規(guī)則的，此時不能使用它作為芯片的時鐘源。為了保證系統(tǒng)的正常運行，可以暫時把系統(tǒng)的時鐘源切換到晶振狀態(tài)，待PLL的時鐘輸出穩(wěn)定以后再把系統(tǒng)的時鐘源切換到PLL狀態(tài)。
(3)Idle模式
如果CPU核在當前狀態(tài)下已經(jīng)處理完所有任務(wù)，在很長一段時間內(nèi)都將處于空閑狀態(tài)，那么系統(tǒng)應(yīng)該進入到Idle模式。在Idle模式下，只會關(guān)閉CPU核的時鐘源，而所有的模塊都保持原狀。但在這種模式下，不可動態(tài)配置PLL，以得到不同的時鐘頻率；也不可以動態(tài)地管理各模塊的時鐘源，因為這個時鐘Core已經(jīng)休眠了，它沒辦法對功耗管理模塊內(nèi)部的寄存器進行配置。無論前一個狀態(tài)是Slow模式還是Normal模式，系統(tǒng)都可以進入到Idle模式下；而當系統(tǒng)退出Idle模式時，它應(yīng)該退回到前一個工作模式。當系統(tǒng)重新需要CPU核進行事務(wù)處理時，可以通過一個喚醒信號讓系統(tǒng)退回到Slow模式或Normal模式。
(4)Sleep模式
如果整個系統(tǒng)都已經(jīng)處理完所有的事務(wù)，并且在很長的一段時間內(nèi)都將處于空閑狀態(tài)，那么系統(tǒng)應(yīng)該進入到Sleep模式。在Sleep模式下，關(guān)閉CPU核和所有模塊的時鐘源。雖然可以從Slow模式或Normal模式切換到Sleep模式，但是當它退出Sleep模式時，系統(tǒng)只能回到Slow模式。因為為了進一步降低整個芯片的功耗，在Sleep模式時會同時關(guān)閉PLL，所以在它退出時只能回到Slow模式，然后根據(jù)當前的應(yīng)用決定有沒有再切換到Normal模式的必要。當系統(tǒng)需要再次進行事務(wù)處理時，可以通過一個喚醒信號喚醒整個SoC芯片系統(tǒng)。
3 功耗管理模塊的實現(xiàn)
功耗管理模塊主要由一個狀態(tài)機、一些多路選擇器和一些門控時鐘電路組成。狀態(tài)機的責職就是完成各種模式之間的切換和送出PLL的控制信號。多路選擇器主要完成各種時鐘源之間的選擇，而門控時鐘電路則完成CPU核和各模塊時鐘源的打開和關(guān)閉功能。圖3是功耗管理模塊中時鐘源路線。
從圖3中可以清楚地看出，在功耗管理模塊中例示了兩個PLL：一個是主PLL（MPLL），它提供整個SoC中除USB模塊以外的所有模塊的時鐘源；另一個是次PLL（UPLL），它只對USB提供時鐘源。MUX完成晶振時鐘和PLL時鐘的選擇，被選中的時鐘（FCLK）同時送到CPU核、HCLK和PCLK，然后根據(jù)各個模塊的需要門控地送出時鐘源。這是基于AMBA總線結(jié)構(gòu)的SoC。根據(jù)AMBA總線的協(xié)議，CPU核、AHB上的模塊和APB上的模塊的時鐘頻率可以配置成倍比關(guān)系[6]。經(jīng)過HCLK分頻的時鐘源只提供給AHB上的模塊，而經(jīng)過PCLK分頻的時鐘源只提供給APB上的模塊。AHB_con 、APB_con、Core_con和USB_con一起管理SoC內(nèi)部模塊的時鐘源供給。
4 動態(tài)時鐘管理中的問題及消除方法
動態(tài)地配置整個系統(tǒng)的時鐘頻率，雖然可以很方便地控制好整個SoC芯片的功耗，但同時也帶來了一些負面影響。功耗管理單元中的多路選擇器和門控時鐘電路是最有可能產(chǎn)生毛刺的，而毛刺對同步數(shù)字系統(tǒng)是致命的。它會導(dǎo)致同步的失敗、數(shù)據(jù)的丟失、寄存器進入亞穩(wěn)態(tài)，更為嚴重的是，使整個同步系統(tǒng)的功能失敗。毛刺的產(chǎn)生是因為那些輸入信號的時序匹配出現(xiàn)了問題，沒有按照既定的順序出現(xiàn)，或者說那些信號裝轉(zhuǎn)換的時機不合適。因此在RTL設(shè)計時要保證做到時序的匹配，以降低毛刺產(chǎn)生的可能性。
在功耗管理模塊中有三種情況需要用到多路選擇器：
a. 由Slow模式切換到Normal模式；
b. 在Normal模式下重新配置PLL；
c. 由Normal模式切換到Slow模式。
圖4是功耗管理模塊中的一個二選一MUX。它的控制信號是OscillatorOrMPLL，兩個選擇源是clk_MPLL和clk_Osci，輸出是out_ClockSource。當OscillatorOrMPLL為“1”時，MUX選中clk_Osci；當OscillatorOrMPLL為“0”時，MUX選中clk_MPLL。在MUX選擇其中任何一個時鐘信號之前，clk_MPLL或clk_Osci必須已經(jīng)穩(wěn)定下來了。強調(diào)一下，這里的穩(wěn)定不是指已經(jīng)輸送出完整的時鐘信號，而是輸送出高電平或低電平。這樣當選擇開關(guān)達到它們那一方時，接受到的是沒有毛刺的且對整個SoC不會產(chǎn)生操作的時鐘信號。雖然在這時因為這種操作把SoC的頻率降了下來，但這是暫時的(大約2~3個晶振時鐘周期)，因此對整個SoC性能的影響是微乎其微的。接下來被選中的信號（clk_MPLL或clk_Osci）才開始輸送出沒有毛刺的時鐘信號，從而最終送出的時鐘信號是去除了毛刺的。
圖5
圖5是系統(tǒng)從Slow模式切換到Normal模式時的時序圖。通過配置功耗管理模塊的內(nèi)部寄存器打開PLL，即in_PLLStartOrStop信號，由它觸發(fā)Slow2Normal_r信號，表明當前將要從Slow模式過渡到Normal模式。然后，由這個信號觸發(fā)Lock Time 計數(shù)器開始計數(shù)（計數(shù)值由PLL的IP提供商所給的公式中確定），接著先把晶振時鐘的使能信號關(guān)掉，再把多路選擇器打到MPLL那一方。最后，把PLL時鐘的使能信號打開，這時得到的就是經(jīng)過倍頻的PLL時鐘。
從時序圖可以清晰看出，在時鐘源切換的過程中，最終送出的時鐘（out_ClockSource）頻率會很明顯地降低下來（大約是晶振時鐘頻率的1/3或1/2）；但是如果選擇的晶振時鐘頻率在10MHz以上，則不會對整個SoC芯片的性能產(chǎn)生影響。
至于門控時鐘電路，已經(jīng)有許多人在這方面作了很廣泛的研究，本文不再對此作過多的解釋[7]。
5 結(jié) 論
本文提出了一種SoC芯片的低功耗管理策略。其基本思想是，首先從全局考慮，在滿足性能的前提下，根據(jù)各種應(yīng)用環(huán)境動態(tài)地配置SoC芯片的時鐘頻率。然后，從局部單獨考慮單個模塊，通過判斷它當前的工作狀態(tài)決定是否打開其時鐘源。
該低功耗管理方案已經(jīng)應(yīng)用于我們設(shè)計的一款SoC芯片——Garfield。經(jīng)過表2所列Power Compiler的功耗分析，可以清晰地看出：在Slow模式下的功耗僅為Normal模式下功耗的17%左右，而在Sleep模式下的功耗更低。
表2 功耗分析結(jié)果
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