（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗微处理器监控芯片的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 微处理器监控芯片是应用范围极其广泛的集成电路，它具有高集成度、高 性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点。几乎所有的微处理器都需要复 位电路。本文的目的是设计一种c m o s 工艺下的超低功耗的微处理器监控芯片。 该电路具有上电、掉电以及手动复位三大复位功能、看门狗功能和监视系统电 源电压功能，而最大静态电流只有3 9 a 。不需外接元件就可以实现微处理器监 控电路最为常见的功能。 本论文完成了电路设计、工艺设计以及版图设计。整体电路的模拟仿真表 明电路完成了设计功能，达到设计指标；通过对电路的改进只采用c m o s 工艺 设计出静态电流只有3 i r a 的微处理器监控芯片，实现了低功耗的设计。 本论文的主要工作和创新点为： 1 ) 成功采用了在c m o s 工艺中使用横向p n p 双极型器件，设计出以横肉 p n p 为差分输入对的运放，使用在带隙基准电路里，从而设计出一个各方面性 能都比较好的带隙基准，成功地运用在复位闽值 e 较电路里： 2 ) 在设计时利用金属选择( m e t a lo p t i o n ) 技术，可以同时设计出十多个 不同功能的产品，而只需要对m e t a ll 一层做部分修改就可以实现，从而提高了 设计效率，降低了设计成本； 3 ) 在设计中巧妙利用了芯片特性，研究出了一种p a d 复用技术。使芯片 p a d 得以复用，节约了版图面积，降低了芯片成本。 作者完成了低功耗的微处理器监控芯片设计，并用c s m c0 6 岬c m o s 工 艺器件模型进行了相应的仿真分析，结果表明：微处理器监控芯片的静态电流 只有3 9 a ，达到了预期的各项设计指标。文中给出了具体设计方案、版图和仿 真结果。 关键词t 微处理器监控低功耗看门狗上电复位 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o p r o c e s s o r - s u p e r v i s o ri sak i n do fi n t e g r a t ec i r c u i tw h i c hc a nb eu s e d w i d e l y i th a sl o to fa d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲i n t e g r a t i o n , g o o dc o s t p e r f o r m a n c er a t i o ， r e q u i r i n g1 1 0e x t e r n a lc o m p o n e n t sa n dg o o dp e r f o r m a n c e a l m o s ta l l 妒s u p e r v i s o r s m u s th a v e ”p o w e r o n - r e s e t ”f p o r ) c i r c u i t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g na k i n do fl o wp o w e ri x ps u p e r v i s o rc i r c u i tw i t hc m o st e c h n o l o g y t h i sc i r c u i th a s p o w e ru pa n dp o w e rd o w nr e s e t ，m a n u a l - r e s e tf u n c t i o n ，w a t c h d o gf i m c f i o na n d m o n i t o rs y s t e mp o w e rv o l t a g ef u n c t i o n ，w h i l et h em o s ts t a t i ce r a - r e n tw a so n l y 3 a t h i sc h i pc a nr e a l i z et h en o r m a lf u n c t i o nr e q u i r i n gn oe x t e r n a lc o m p o n e n t s t h i s p a p e rh a sf i n i s h e d t h ec i r c u i td e s i g n ，t e c h n o l o g ya n dl a y o u t t h e s i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i ts h o w st h a tt h ed e s i g nf u n c t i o na n dt e c h n i c a lt a r g e t w a sa c h i e v e d t h r o u g hi m p r o v i n gt h ec i r c u i t ，w eh a v ed e s i g n e da 心s u p e r v i s o r w h o s es t a t i cc u r r e n tw a so n l y3 山w i t hc m o st e c h n o l o g y , t h e nr e a l i z e dl o wp o w e r d e s i g n t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dc r e a t i v ep o i n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： 1 l a t e r a lp n pb i p o l a rd e v i c ew a ss u c c e s s f u l l ya d o p t e di n t h i st h e s i s t h e a m p l i f i e rw a sd e s i g n e dw i t ht h i sk i n do f d e v i e ea sd i f f e r e n t i a li n p u t ，w h i c hw a su s e d i nb a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i t ，s oab a n d g a pr e f e r e n c ew a sd e s i g n e dw h i c hh a sg o o d p e r f o r m a n c e i na n ya s p e c tt ob ea p p l i e d i nr e s e tt h r e s h o l dc o m p a r ec i r c u i t s u c c e s s f u l l y 2 m e t a lo p t i o nt e c h n i q u ew a sa d o p t e di nd e s i g n ，s od o z e n so fp r o d u c t sw i t h d i f f e r e n tf u n c t i o nc a r lb ed e s i g n e dc u r r e n t l y t h eo n l yd e m a n di st om o d i f yt h em e t a l 1p a r t ，t h e nt h ed e s i g ne f f i c i e n c yi si m p r o v e d ，t h ec o s ti sd e c r e a s e d 3 t a k e na d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sc h i p ，ak i n do fp a dr e u s e t e c h n i q u ew a ss u b t l yd e v e l o p e dt om a k et h ec h i pp a d r e u s e d t h el a y o u ta r e aw a s v i 上海大学硕士学位论文 s a v e da n dt h ec h i pc o s ti sd e c r e a s e dt o o t h ew r i t e r f i n i s h e dt h ed e s i g no fl o wp o w e ri x ps u p e r v i s o r , a n d m a d e s i m u l a t i o na n a l y s e sw i t hc s m c0 , 6 9 mc m o sd e v i c em o d e l t h er e s u l t ss h o wt h e s t a t i cc u r r e n ti so n l y3 u a ，a n dw er e a c h e dt h ed e s i g ng u i d e l i n ee x p e a e d t h i sp a p e r h a sg i v e np r a c t i c a ld e s i g ns c h e m e ，l a y o u ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d ： m i c r o p r o c e s s o rs u p e r v i s o r l o wp o w e r w a t c h d o gc i r c u i t v i i p o w e r - 0 1 1 - r e s e t 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期扩j 忡 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 一生聊豁避吼 i i 驯3 ，尸 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着现代电子系统的发展，微处理器已经逐步发展成为不可替代的核心部 件，而为确保其正常的工作，大多数基于微处理器和微控制器的系统在上电和掉 电过程中以及进入或退出关闭或睡眠方式时都要求监控。因而微处理器监控电路 ( 妒s u p e r v i s o r ) 也迅速发展成为现代电子系统中不可或缺的部件。可以说几乎 所有的微处理器系统都需要微处理器监控电路，包括智能仪表，自动系统，嵌入 式系统，手持设备等内部都需要不同功能的微处理器监控电路。 应用单片集成的微处理器监控电路是取代分离器件组成的廿监控电路的 趋势。在当前s o c 系统和单片机系统应用如此广泛的情形下，必然要求妒监 控电路与之配套，因为只要有微处理器的系统中，就一定要有心监控电路。故 此对u p 监控电路的研发具有非常高的市场应用意义【2 】吼在工艺一定的条件 下，设计者要完成低功耗、集成度高、性价比高、外围电路简单、各性能指标优 良的微处理器监控电路的设计，就要在电路结构的设计上提出更高的要求，也更 需要具有一定的前瞻和创新能力。 此外，在很多集成电路设计领域中，国内的设计水平与国外尚有很大的差距， 使得集成电路从设计到商品的过程需要很长的时间。所以，设计者设计经验的积 累和电路设计知识理论的总结，对集成电路设计行业的发展会起到很大的作用。 面对逐渐扩容的集成电路市场，具有自主知识产权电路的设计和研究，也将具有 良好的市场前景。 1 2 国内外研究概况 世界范围内，著名的生产微处理器监控电路的厂家主要是a d i ( 模拟器件公 司) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 美国国家半导体公司) 、m a x i m 。其中m a x i m 早期相同功能产品的平均静态电流为1 5 0 吣，近期产品的平均静态电流为1 0 衅。 国内微处理器监控电路的研发起步较晚，在总体设计能力上离国外先进水平还有 很大的差距。大部分性能还做不到低功耗，不能真正占领移动设备市场。如果能 上海大学硕士学位论文 够掌握低功耗微处理器监控电路的设计和生产，将对我国军事、医疗、通信等方 面的发展有很大的促进作用。 1 3 论文的主要研究内容及创新 1 3 1 主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，对多种微处理器 监控电路结构及基本特性进行了仔细的研究，最终确定没计一款具有上电复位 ( p o w e r o n r c s e t ，p o r ) 、掉电复位和手动复位以及看门狗外加一个系统电源电 压监控等五大功能的微处理器监控电路。经过近一年的研究工作，本文完成了基 于标准c m o s 工艺的低功耗的微处理器监控集成电路设计，其中包括了带隙电 压基准、带迟滞的箝位比较器、c m o s 振荡器、看门狗电路、逻辑电路、电阻分 压网络、手动复位电路等内部模块电路的设计。所设计完成的微处理器监控电路 可以在上电时维持2 0 0 m s 的延迟，有可监控1 6 秒时间的看门狗电路，而静态电 流只有3 u a 。 图1 3 1 总体电路功能模块图 作者在整个项目中承担了图1 3 ，1 中的带隙基准、比较器、振荡器、电阻分 压电路、手动复位电路、看门狗电路、边沿检测电路和可测试性设计等单元的电 路设计和仿真，并完成了部分电路的版图设计工作。 路设计和仿真，并完成了部分电路的版图设计工作。 一圭兰盔兰堡主堂垡篓茎 1 3 2 主要创新点 在设计电路时，本文没有局限于书本及文献介绍的知识，积极研究电路的特 性并优化了设计，做到了低功耗的设计。主要创新点如下： 1 ) 带隙基准作为微处理器监控电路中至关重要的部件，直接影响其精度、 面积和功耗。本文在具体电路的设计过程中，设计并优化了一种新型高性能的带 隙电压基准，并使用c s m c 0 6 岬，c m o s 工艺器件模型对其进行了仿真分析。 结果表明，该带隙基准能够在l k t s 的时间内启动，产生温度特性和电压特性都非 常好的基准电压，而只用1 心的电流。 隙中c m o s 差分对管带来的失调问题， 方面性能奠定了基础： 通过设计双极型差分对管避免了常规带 从而为提高整个微处理器监控电路的各 2 ) 系统时钟需要使用片肉一个振荡器，而且要在电源电压高于1 2 v 时就可 以工作，设计时利用模拟电路知识设计了一个可以工作在1 2 v 以上电源电压的 振荡器，该振荡器平均工作电流只有1 3 “a ，而且当系统不需要其工作时可以彻 底关断，完全不耗电流，从而实现低功耗的要求： 3 ) 由于微处理器监控电路有多种不同的功能组合，在设计时利用金属选择 ( m e t a lo p t i o n ) 技术，可以同时设计出十多个不同功能的产品，只需要对m e t a l l 一层做部分修改就可以实现，从而提高了设计效率，降低了设计成本； 4 ) 设计时考虑到测试的方便，增加了可测性设计部分电路，进而节约测试 成本。在设计中巧妙利用了芯片特性，研究出了一种p a d 复用技术，使芯片p a d 得以复用。在版图中p a d 所占的面积相对电路来说比重很大，而且b o n d i n g p a d 只能放在版图的四周，一旦p a d 数确定并摆放好之后，内部电路的面积即 使小于这个空间，也不能减小版图的面积。所以p a d 复用技术在减小版图的面 积上的意义非常重大。 1 4 论文的组织 在第一章中阐述了课题研究的目的、意义、国内外研究的现状以及研究内容 和创新点。 论文的第二章介绍了微处理器监控电路系统概貌，并对微处理器监控电路的 上海大学硕士学位论文 基本原理、典型应用进行了简要的分析，并给出部分重要的性能参数。 第三章将讨论微处理器监控电路系统的设计，包括各个功能模块的基本理论 和结构的选取。本章还简要介绍了低功耗的设计方法，以及m e t a lo p t i o n 技 术。 第四章详细阐述了低功耗微处理器监控电路的设计，包括带隙基准、带电压 箝位的迟滞比较器、振荡器电路、看门狗电路等，并以图形图表的形式给出了单 元电路以及整体电路的原理和仿真结果。带隙基准是低功耗微处理器监控电路中 最为核心的部分，也是提高其性能、降低功耗的关键所在。文中详细地阐述了带 隙基准电路的创新设计，它满足了低功耗微处理器监控电路的要求。 第五章阐述了低功耗微处理器监控电路在版图布局方面的考虑，包括模块电 路布局、器件匹配等内容。 第六章是本课题的总结与展望。 4 圭塑奎鲎堕主兰垡丝兰 第二章妒监控电路系统概貌 2 1 基本原理 妒监控器可能仅提供上电或掉电复位，也可能提供其它功能，如后备电池 管理、存贮器写保护、低电压早期告警或看门狗 4 1 等功能。在这些功能中，上电 或掉电复位对微处理器和微控制器而言是最基本也是必不可少的功能。复位电路 在系统电源建立和达到某个门限值以后，为系统c p u 和某些接口电路提供一个 几十毫秒至数百毫秒的复位脉冲，利用这段时间，系统振荡器启动并稳定下来， c p u 对内部的寄存器和程序指针复侥，为执行程序做好准备。另外，复位期间 c p u 总线处于高阻状态，所有控制信号处于无效状态，以免出现误操作。对系 统中某些需要复位的接口电路，复位可使它们内部的控制寄存器和状态寄存器处 于某种确定的初始状态。 对复位电路的基本要求是：在微处理器上电时能可靠复位，在掉电时能防止 程序跑飞导致e e p r o m 中的数据被修改；另外，微处理器系统在工作时，由于 干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致微处理器系统无法正常工作， 为了克服这现象，除了充分利用微处理器本身的看门狗定时器( 有些微处理器 无看门狗定时器) 外，还需外加看门狗电路；除此以外，有些微处理器系统还要 求在系统掉电的瞬间能将重要数据保存下来。因为掉电的发生往往是很随机的， 所以此类微处理器系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知微处理器【5 。 为满足这些要求，不同功能的微处理器监控芯片都已经被开发出来。随着移动通 信的发展，越来越需要体积更小，功耗更低的微处理器监控芯片。 本论文设计的芯片具有上电、掉电及手动复位三大复位功能、看门狗功能和 监视系统电源电压功能。而最大静态电流只有3 a 。下面具体介绍该芯片的性能 特点及使用方法。芯片共有八个引脚，功能如下：第( 1 ) 脚为手动复位输入，低 电平有效；第( 2 ) 、( 3 ) 脚分别为电源和地；第( 4 ) 脚为电源故障输入；第( 5 ) 脚为电 源故障输出；第( 6 ) 脚为看门狗输入，第( 7 ) 脚为复位输出，第( 8 ) 脚为看门狗输出。 芯片的内部结构框图如图2 1 _ 1 所示，该芯片具有以下主要性能特点： 上海大学硕士学位论文 ) 复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第( 7 ) 脚产生复位输出， 复位脉冲宽度的典型值为2 0 0 m s ，高电平有效，复位门限的典型值为4 6 5 v 。 2 ) 看门狗电路输出。如果在1 6 s 内没有触发该电路( 即第( 6 ) 脚无脉冲输入) ， 则第( 8 ) 脚输出一个低电平信号。 3 ) 手动复位输入，低电平有效。即第( 1 ) 脚输入一个低电平，则第f 7 ) 脚产生 复位输出。 4 ) 电源电压低于1 2 5 v 时，第( 5 ) 脚输出一个低电平信号。 6 一。| 一 8 i d e t e c t o r li“l 1 + v c c t i 砸b a s ef o r r e s e ta n d 泓2 5 0 i i a w t c 助o g 1 丫炉上 爿g 。r e 胜s e t 撇卜 7 2 卜i | + i 4 彤哪 l t 5 鱼1 2 5 v 图2 1 1 微处理器监控电路原理图 如图2 1 1 所示，该电路由带隙基准、比较器、复位发生器、时钟基准( 振 荡器) 、看门狗电路以及边沿检测器等六大部分组成。带隙基准产生一个与工艺、 6 上海大学硕士学位论文 电压和温度无关的1 2 5 v 的电压基准，提供给上电和掉电复位电路的比较器。图 中上面的比较器作为上电复位比较器，通过片内电阻分压调节阈值跟带隙比较， 下面的比较器作为独立的电压监控，也跟同一个带隙比较，提供1 2 5 v 的监控。 从w d i 来的喂狗信号，经过边沿检测电路提供给看门狗定时器的复位端，一旦 有喂狗信号进来就给定时器清零，如果在1 6 秒内没有喂狗信号看门狗就会溢出， 产生丽菇信号给微处理器。考虑到应用的方便，本电路可以在w d i 悬空时自动 取消看门狗功能。这是通过在看门狗定时器前7 8 周期里把w d i 内部下拉为低， 在后1 8 周期里上拉为高实现的。如此，当w d i 端悬空时，看门狗定时器每计 到1 4 s 就会自动清零次，也就自动取消了看门狗功能。 2 2 典型应用 芯片的典型应用电路如图2 2 1 所示。图中单片机以a t 8 9 c 5 1 为例，芯片的 第( 1 ) 脚与第( 8 ) 脚相连。第( 7 ) 脚接单片机的复位脚( a t 8 9 c 5 1 的第( 9 ) 脚) ；第( 6 ) 脚与单片机的p 3 4 口相连。在软件设计中，p 3 4 口不断输出脉冲信号，如果因 某种原因单片机进入死循环，则p 3 4 口无脉冲输出。于是1 6 s 后在芯片的第( 8 ) 脚输出低电平，该低电平加到第( 1 ) 脚，使芯片产生复位输出，使单片机有效复 位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于阈值4 6 5 v 时，芯片也产生复位 输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有 效防止因电源电压较低造成单片机产生错误的动作。 电源故障输入p f i 通过个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当p f i 低于 1 2 5 v 时，电源故障输出脚第5 脚面石变低，可引起a t 8 9 c 5 1 中断进行电源故障 处理，或将重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电 源故障告警。 本系统中采用微处理器监控芯片的主要目的是可靠复位、电源监控和利用其 “看门狗”( w a t c h d o g ) 功能防止系统长时间“死机”。加电时，只要v c c 达到 l v ，就能使复位信号丽变为低电平，当v e c 上升到门限电压4 6 5 v 后，i 面面 继续保持有效2 0 0 m s 6 ，以便单片机可靠复位。当电源出现故障时，p f i 的电压 低于1 2 5 v ，f 而变为低电平，随即向单片机发出一个不可屏蔽中断请求信号。 单片机应采取相应的保护措施，这有赖于中断服务程序软件的支持。当电源降至 7 上海大学硕士学位论文 4 6 5 v 以下时，面嚣面：变为低电平，向单片机发出复位信号，直到v c c 升到4 6 5 v 以上。单片机每隔一定间隔( 1 6 s 以内) 向w d i 发出跳变，以便使内部监视跟 踪定时器清零，如果1 6 s 还没有使w d i 的电平发生变化，则被认为是程序运行 有故障，即系统“死机”。此时而舀变为低电平，经过二极管送给而i 端，相当 于产生手动复位信号，使单片机复位后重新进入正常运行状态，同时又使而石变 为高电平。经过适当的变换，上述电路还可用来同时监控+ 5 v 及另一个电源( 如 + 1 2 v 、9 v 等) ，或引发非屏蔽的掉电中断。 图2 ，2 1 典型应用电路原理图 下面详细描述此应用电路的工作原理： ( 1 ) 看门狗电路输入端( w d i ) 接至p 3 4 ，由p 3 4 提供喂狗信号。如果p 3 ，4 在1 ，6 秒内无触发信号，则看门狗定时器溢出，其输出端( 丽石) 输出一低电平， 此信号通过二极管d l 接至手动复位端而i ，从而产生复位信号，使系统复位， 重新运行。 ( 2 ) 当系统上电( v c c 超过复位门限电压4 6 5 v ) 引起系统正常复位；当系 统掉电或电源意外干扰，使得v c c 低于复位门限电压4 6 5 v 时，i 丽端由高电 上海大学硕士学位论文 平变为低电平，输出复位脉冲，系统复位。 ( 3 ) 电源故障输入端( p f i ) 接到由i u ，r 2 构成的分压电路。若分压结果使 得v p f i 1 2 5 v ，则监控器内部电源比较器输出端而呈低电平；一旦v p f i 1 2 5 v ， 而又呈高电平。因此适当选择砌和r 2 的阻值比，可用于监测各种电压信号。 本用法办用于监测系统电压v c c ，调节r j ，r 2 值，使系统电压v c c 以4 9 v 为门 限电压，即当v c c 4 9 v 时( 此时v p f i1 2 5 v ) ，两石呈高电平；当v c c 4 9 v 时( 此时vp f i 1 2 5 v ) ，丽呈低电平。为什么取4 9 v 为门限电压呢? 实践表明 当v c c 一旦低于4 9 v 左右时，此时稳压电压输出己出现较大的纹波。此纹波可 以严重干扰系统的正常运行。当v c c 低至4 9 v 4 6 5 v ( 系统复位门限电压) 期 间，如果系统不采取保护措施，则系统很不稳定，可能引起潜在的危险，比如重 要数据的读写r a m 出错等。此部分电路可以很好地监测v c c 受到瞬时干扰低于 4 9 v 而又不低于4 6 5 v 时系统的完整保护，具体的保护原理如下： a ) 电源正常时稳压块7 8 0 5 输入端直流电压约为1 0 v ，此时丽为高电平， 单片机8 9 c 5 1 不被触发。 b 1 当市电掉电或电源受到干扰时，该电源迅速下降。若要求下降到7 5 v 开 始保护，则可以算出r 1 ：r 2 = f 7 5 1 蛮) ：1 2 5 = 5 ：1 。若r 2 取2 k ( 1 ，则r 1 取1 0k o 。 虽然电源电压下降很快，但单片机的运行速度更快，故在很短的时间里，单片机 仍可以完成一定的工作。c p u 的状态被完整地保存，如堆栈指针( s p ) 、程序计 数器( p c ) 、程序状态字( p s w ) 、累加器( a ) 及所有其它寄存器的状态。 系统工作电压受到瞬间干扰是很常见的，尤其在工业现场中更是如此。本应 用电路能够进一步完善电源监测，使系统不至于稍有干扰便被复位而重新运行程 序。 f 4 1 电路中提供手动复位功能，在图2 2 1 中复位开关k 被按下并松开，使丽i 端获得低电平，丽端输出复位信号，系统复位。 2 3 主要性能指标 1 1 运行电压范围：1 2 v - - 5 5 v 2 1 工作温度：- - 4 0 。c 一1 2 0 。c 3 、平均静态电流：3 t a 上海大学硕士学位论文 4 ) v c c 复位阈值：4 6 5 v 5 ) 复位阈值迟滞：4 0 m v 6 ) 复位脉宽：2 0 0 m s 3 0 7 1 看门狗定时周期：1 6 s 3 0 8 ) 手动复位脉宽最小值：1 s 9 ) p f i 输入阈值：1 2 5 v 上海大学硕士学位论文 第三章妒监控电路系统设计 3 1 分立器件的p o r 和处理器内置的p o r 除了单片集成的微处理器监控电路以外还可以使用由电阻和电容构成的分 立式p o r ( 图3 1 1 a ) ，但这是一种比较危险的做法”1 。这种p o r 输出缓慢的上 升和下降时间会给许多处理器带来问题尤其是那些复位输入中没有包含施 密特触发器以及具有双向复位引脚的处理器。增加一个施密特触发器对于前一种 情况有效，但也带来了成本、空间和启动问题。 当电源上电时，如果其上升时间对于p o r 时间常数比较缓慢时，此时采用分 立式p o r 会产生另一个问题。处理器可能会在电源没有稳定之前就脱离复位态。 为防止出现这个问题，p u c 电路的时间常数需要增加。另外，有些具有内置p o r 的处理器制造商也建议，如果上电速度缓慢，要在复位输入端增加一个r c ( 再 加一个二极管，如下所述) 。 如果电源在上电后遭遇一次干扰，r c 电路会将这个干扰滤掉，这样就阻止 了复位的发生。而且，如果电源下跌，处理器复位引脚上的电压仍会高于其v i h ， 使复位无法产生。这种情况甚至有可能发生在电源跌至处理器最低保证工作电压 以下的时候。这是因为复位引脚的v m 通常低于处理器的最低保证工作电压。如 果电源被关掉然后又迅速打开又会引发另外一个问题再次上电之前电容器 可能没有足够的时间放电。 增加一个二极管( 图3 1 - l b ) ，r c 电路有可能响应干扰，一旦有干扰出现， 二极管会迅速对电容放电。干扰必须足够大才可将复位引脚上的电压拉低到v m ( 最小) 。此外，前面所提到的不含二极管的r c 电路的问题仍会困扰该电路。 不过，很多时候，二极管的确能够解决电源迅速关断一打开所产生的问题。 上海大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图3 1 1 分立器件p o r 的原理图 有些系统里使用处理器内部集成p o r ，这也会产生一些问题。这种p o r 经 常会遭遇精度差和较低电压下出现的一些问题。而且，许多内部p o r 被设定为 只在上电时提供复位，而在电网欠压期间，电源电压的轻微跌落不会引发复位。 有些制造商建议增加分立电路来适应这种情况。 此外，对于内部p o r ，在多组电源供电的系统中还会有另外的问题。例如， 可能会遭遇这样的问题，内部p o r 的延时适合于自身的处理器，但却不能适应 上电更慢的外部电路( 例如存储器) 。这种情况下，解决方案之一是，采用一个 同时监视处理器和外部电路电源，并具有更长延迟时间的外部p o r 。 采用本文设计的集成微处理器监控电路p o r 在多数设备中能够解决上述问 题，这种器件不会产生前面所述的那些问题”1 ，所以可以更好地取代分立式p o r 和处理器内部集成p o r 。 3 2 上电复位系统设计 微处理器系统最常用的。也是首要的安全保护功能就是上电复位功能。几乎 每台计算机和嵌入式系统处理器都包括一个系统冷启动的方式，确保初次加电后 系统处在正确的初始化状态。绝大多数处理器的数据手册提供一个最小复位周 期，给出个在系统电源稳定之前，设备保持非运行状态的特定的时间间隔( 典 型值为2 0 0 m s ) 。如果这个复位时间太小的话，处理器不能够确保正确运行。上 电复位的任务之一是确保电源刚被打开时，处理器从一个已知的地址开始运行。 为此，p o r 逻辑输出在处理器电源刚被打开时将处理器锁定在复位态。p o r 的 上海大学硕士学位论文 第二个任务是，在以下三件事情完成之前，阻止处理器从己知地址开始运行：系 统电源已稳定在适当的水平；处理器的时钟已经建立；以及内部寄存器已经正确 装载。p o r 完成这第二个任务的手段是片上定时器，它可以使处理器在一个预 定的时间间隔内继续保持复位态。这个定时器在处理器电源到达规定的电压门限 后触发，设定时间到达后，定时器终止，并使得p o r 输出变为无效，处理器脱 离复位态并开始运行( 图3 - 2 1 ) 。 v s 0 t t a g y t j f 寸：二 ： 业 ： ； 朝e r 舯峒睇 图3 2 1 上电复位时洋图 处理器的数据手册会给出所需要的定时器延迟间隔。顺便提一下，这个定时 器正是p o r 和一般电压监测器的区别所在，后者也能以一定的电压门限监视电 压，但不具备定时功能。p o r 良好的抗噪声干扰能力在监视处理器时也是必需 的，这也是它和电压监视器的不同之处。当有一个小而快的干扰出现在电源上时 p o r 不应发出复位，因为这种干扰并不会影响处理器的工作。但是，比较长的 小干扰和短的大幅度干扰都会给处理器造成问题。因此，最好的方法是采用一种 p o r ，它可以同时监视进入电源电压的干扰的幅度和持续时间，并以此来决定是 否发出复位。最终目标是真实反映处理器自身的行为，只在处理器需要复位的时 候发出复位，而在处理器正常工作的时候不应该去复位它。图3 2 2 是描述能够 触发复位的电源电压上的干扰幅度时间。这条曲线说明，在监视到电源电压低 于规定门限1 0 0 m v 的持续时间至少到1 0 1 t s 才会触发复位。一旦电源电压回到门 限以上，p o r 定时器只在一个预定的时间间隔之后才会撤消复位信号。 上海大学硕士学位论文 妻 l 。i - - l l 誓 1i oi 0 0 1 0 匪s e t c o m 鸭r t d r0 轾r 叩j 垤v 刑- v c ce h 帅 图3 2 2 能够触发复位的电源电压上的干扰幅度，时间曲线图 3 3电源失效和欠压信号 包含电源失效或欠压信号的监控电路可提供给处理器告警信号：即将发生电 网欠压或电源失效。当这些信号中的任意一个中断处理器时，处理器进入一个掉 电子程序。在这个子程序中，处理器中止当前的活动，并在p o r 复位处理器之 前备份重要的数据。 为产生电源失效信号，监控器的电源失效比较器，监视未稳压的直流电压( 或 某些上游的稳定电压) ，如图2 2 1 中的+ 1 0 v 电压。这个电压被送入调节器7 8 0 5 ， 并用来产生为处理器和监控电路供电的电源。未稳定电压会在调节器输出电压之 前跌落，因为调节器的输出电容会维持其输出电压。因此，未稳定电压的跌落预 示着调节器电压可能会发生跌落。检测这个跌落，如果电源电压的跌到阈值以下 的话中断处理器，使处理器在被复位之前进入掉电子程序。 如果无法检测未稳定电压( 或一个上游的稳定电压) ，处理器仍有可能收到 一个电源即将失效的告警。提供欠压信号输出的监控器可以提供这个信号，当被 监视电源电压跌落至某个略高于复位门限的电平时( 例如高1 5 0 m v ) 这个信号 变为有效。因此，欠压信号可用来警告处理器，电源电压将有可能跌落到使p o r 产生复位的电平。此时，和电源失效比较器发出信号时一样，预见到p o r 将发 出复位( 由于电网欠压或电源失效) ，处理器备份重要数据”1 。 鳓卿们鳓锄踟黜伽幅鞠。 上海大学硕士学位论文 3 4 看门狗系统设计 3 4 1 看门狗系统原理 在台式机系统中出现导致系统瘫痪的软件错误并不可怕，因为用户只需重新 启动系统即可，它只会造成少量数据的丢失。然而，对于运行在工控系统的软件， 系统必须能够在没有人为干预的条件下恢复故障。这一特性在两种情况下非常关 键：一种是高有效性系统，如服务器、电话系统以及生产线等；另一种是高可靠 性系统，一旦出现错误将造成伤害，如汽车、医疗设备、工业控制、机器人、自 动门等。即使不考虑这些要求严格的应用，系统在无需用户干预( 按下复位键或 重新上电) 的条件下自动从故障状态下恢复也是很有益处的，这种设备的好处是 显而易见的，因为用户觉察不到设备内部出现了问题。改善这类系统可靠性的 种简单、有效的措旌是采用看门狗电路l j j 。 看门狗是一个计数器，它需要在一定的看门狗延时周期内被清零，如果没有 清零动作，看门狗电路将产生一个复位信号使系统重新启动或建立一个非屏蔽中 断( n m i ) 、执行故障恢复子程序。大多数看门狗电路是边沿触发，这样，无论 是上升沿还是下降沿触发看门狗的输入端( w d i ) 都能够清计数器。w d i 引脚连 接在处理器的一个i o 口，这个接口由软件触发( 图3 4 1 ) 。看门狗计数器清零的 命令必须在主程序内( 图3 4 2 ) 。如果看门狗没有被清零，复位后软件将从地址 0 x 0 0 0 0 ( 启动程序) 开始运行。计算主程序的运行时间往往很困难，因为在此期 间可能需要多次调用子程序，这与系统输入有关。因此，设计人员常常选择看门 狗延时周期远远高于测试到的或计算出的循环时间。图3 4 3 表示正常工作情况下 ( 看门狗在延时周期内被清零) 的看门狗信号和复位信号。图3 4 4 中，在看门狗 计数器溢出时发生了次复位，工业标准的看门狗电路延时周期在l o o m s 至2 s 范 围内，当然，也有些可调节或定制的看门狗电路能够覆盖更宽的延时范围( 3 0 m s 至几分钟) 。如果主程序的执行时间对于看门狗电路而言过长，设计人员可以在 主程序的不同部位多次执行看门狗触发命令，也可以选用看门狗延时周期更长的 器件。 上海大学硕士学位论文 nn 几 w t r w n n c z l o f i n i “t 1 i 。m 1 e r 。r c i 础s e t l 匝s 耵 l g e l t e b a t o r l - 图3 4 1 看门狗系统框图 图34 2 在主程序内产生w 信号的典型流程 一圭塑查兰堡主茎垡堡苎 图3 4 3w d i 引脚总是在看门狗延时周期内被触发，不产生复位信号的示意图 r i 洲b 吐己 嘴帅叶丽而丽蕊r 图34 4 一旦看门狗计数器达到延时周期，将产生一次复位的示意图 一种防止系统滞留在死循环的技术是在主程序的开始部分将相应的y o g i 脚 置为高电平，而在主程序的另一部分将其置为低电平。如果软件在主程序的起始 部分进入了死循环，由于w d i 始终保持高电平，看门狗将产生延时输出、系统被 复位。如果采用一个低高低的脉冲( 图3 4 2 所示) ，看门狗将被清零，但系统 仍处于阻塞状态。为解决这个问题，一种更老练的方法是对程序中的多项任务进 行监视，每项任务设置一个标志，只有当全部标志置位后看门狗电路才被触发。 执行全部任务的时间要比看门狗延时周期短。如图3 4 5 所示，它在w d i 引脚产生 一个上升沿和一个下降沿，可避免程序滞留在死循环内。虽然图3 4 2 和图3 4 5 对实际程序只作了一个最简单的对比，但它表达了与此相应的基本概念。在更复 杂的系统中还存在一些潜在问题，如存储器泄漏、堆栈溢出等，系统同样需要对 圭堡查兰堡主兰垡丝苎 这些情况进行监视，对这些问题的讨论超出了本文的范围，通过合理的程序设计、 认真审核代码或采用专门的软件工具也可以解决上述问题。 图3 4 5 改进后的、包括两次独立的看门狗触发命令的流程图 3 4 2 内部看门狗与外部看门狗 许多沁集成了可编程看门狗功能，软件控制可禁止其工作。内置看门狗易 受代码错误的影响，它无法提供外部独立看门狗电路所具有的保护能力。在对安 全性能要求较高的应用中( 如自动门、医疗设备、机器人等) ，内置看门狗是无 法接受的，系统要求采用独立的外部看门狗电路。使用外部看门狗电路降低关键 系统的风险是一个很好的选择。 1 8 上海大学硕士学位论文 3 4 3 窗式看门狗和简单看门狗 为获得超高的可靠性，设计人员可以利用窗式看门狗电路，使用这些器件时 必须在规定的窗口定时周期内为看门狗提供清零脉冲，有效脉冲可以在上次触发 脉冲1 5 m s 后到达，也可以在上次触发脉冲1 0 m s 后到达，利用这种电路系统可以 脱离离散循环，如果清看门狗指令在循环内执行，它将发出一串高速脉冲，这些 脉冲可以将常规的看门狗清零，而且不产生复位。如果利用窗式看门狗电路则避 免了上述问题，因为这种器件在两次看门狗触发脉冲之间要求一定的时间间隔。 这些器件的典型应用包括防抱死( a b s ) 系统或其它汽车电路，工业控制、医疗 产品等要求高安全性的应用或对系统有效性要求苛刻的应用。 然而对于本论文所设计的低功耗微处理器监控电路如果选用这种窗式看门 狗会带来设计复杂、数字部分过于繁琐，功耗增加等一些问题，结合实际应用考 虑最终选用简单看门狗结构，从而节省设计成本，降低功耗。 3 5 手动复位的设计 有时候，当电源电压仍在容差以内，用手动方式去触发一次复位也很有用。 这项功能不仅被用于调试和最终测试，当处理器锁定时这个功能也很有用它 使处理器重新启动，而不必关掉电源。这种功能对于那些处理器永不掉电的产品 尤其有用。它还被通用于那些不关掉处理器电源，只是唤醒挂起处理器的 o n o f f 开关中。尽管来自于i o 线的逻辑信号、看门狗定时器或电源失效输出 常被用于触发手动复位，按钮开关经常也被用来触发手动复位。所以本论文中设 计了手动复位电路，主要是按键去抖电路的设计。 3 6 低功耗的设计 随着手持移动设备的飞速发展，人们对低功耗设计的要求越来越高。低功耗 设计己日益突出地成为i c 设计过程中的重要考虑因素，主要原因有：在手提式、 靠电池驱动的系统( 如手提电脑、手机等) 中，电能的消耗直接决定着电池的寿 命；深亚微米工艺的发展使得数百万门晶体管可以集成在一块芯片上，并以数百 兆赫的频率工作，过高的功耗将限制并影响系统的性能甚至损坏芯片；高功耗带 1 9 兰塑查兰堡圭堂堡笙苎 来的高热量使得芯片的封装和散热装置造价巨增，并存在技术上的限制。c m o s 电路的静态功耗主要来源于持续的漏电流，在目前的工艺条件下，这种功耗对电 路的总功耗影响很小；动态功耗是主要因素，它来自于电路节点发生o 1 或i 0 跳变( s w i t c h ) 时的短路电流和负载电容的充、放电【8 1 1 9 1 1 0 1 。 决定功耗的因素有工作电压，负载电容或开关活动性，c m o s 电路的低功耗 设计必须综合考虑这三个因素。具体的途径有： 1 ) 避免浪费。采用功耗管理技术，对处于“空闲”状态的电路模块及时关 断，以达到节省功耗的目的； 2 ) 降低电源电压可以节省功耗； 3 ) 分配各个支路电流时，限制静态电流的大小，适当牺牲面积。 因为要想降低电流，必须增加电阻值，所以势必带来电阻面积的增加，必要 时用少许面积或性能换取功耗。面积、性能和功耗这三个约束往往相互制约，但 可以相互转化，因此在低功耗设计中，常常用少许面积或性能换取功耗的优化【“】。 本设计中结合具体电路，在电路的每个模块中综合考虑了面积、性能和功耗的关 系，尽量做到最优。最后仿真结果表明设计的芯片静态电流只有3 “a ，达到了低 功耗的设计目的。