（微电子学与固体电子学专业论文）智能家电中低功耗红外遥控芯片的前端设计.pdf

摘要 摘要 低功耗设计是当前i c 设计和研究领域的一个热点，出现了大量的功耗优化 技术。设计者可以通过软硬件划分、插入门控时钟、动态频率调整、单元尺寸优 化等方法，从结构级、模块级、门级乃至晶体管级进行功耗优化。 对功耗优化技术的研究大多关注于它们在i c 设计流程特定环节的实现，而 较少地从整体角度研究各项技术的协调及其对i c 设计流程的影响。本课题通过 一个红外遥控芯片b j u t 6 1 2 2 的设计实例，就i c 前端设计中的上述问题展开研 究。该芯片可以应用于智能家电的低功耗便携式设备中，具有实际的应用价值。 本文首先基于对芯片应用环境和设计要求的分析，完成了芯片体系结构的划 分，确定了全局异步局部同步( g a l s ) 的互连策略；在此基础上，以功耗优化 为着眼点选取具体的实现方案，完成1 3 万行r t l 代码编程，并对芯片的键盘扫 描方式、编码格式和编码传输方式等方面都进行了低功耗设计，尽可能地降低功 耗；随后，以该r t l 设计模型作为依据进行功耗估计，基于对芯片翻转活动性 分析，插入层次化的门控时钟单元，使芯片功耗与初始设计相比降低了1 3 。 随着功耗优化技术的广泛采用，由此引入的设计缺陷也日渐增多，针对低功 耗设计的验证成为验证流程中的重要方面。本课题以s y s t e m v e r i l o g 断言检查和 受约束的随机向量生成为手段，采用直接测试和受约束的随机测试结合的验证策 略，有效地解决了由功耗优化技术所带来的验证问题，保证了设计的正确性。 逻辑综合可以进行门级功耗优化，这一过程可以由e d a 综合工具自动完成。 本课题还根据b j u t 6 1 2 2 的结构特点完成了逻辑综合，以及对门控时钟单元的可 测性设计。 本文最后对设计工作进行了总结并提出了对进一步工作的展望。 关键词i c 前端设计；低功耗：全局异步局部同步；门控时钟 a b s t r a c t l o wp o w 盯d e s i 扣i so n eo ft h eh o t s p o t si nt o d a y si cd e s i g r c a l | 吗i m dp l 印哆o f p 煽f 盯o p t i m j t 刎o nt e e l m i q u e se m e r g e di nl e c 船ty e a r s d e s i r e r sc a l lr e d u c ep o 哪 c c 咀吼l m p 缸o n 砒a r e h i t e e t u r el e v e l ，b l o c kl e v e l ，g a t el 酬o re v e nl r a m i s t o rl e v e l 咖h w s wp a r t i f i o n c k k 伊衄i n s e r t i o n , d v f s 何c e u 瑚i z i n g , e t e m 0 9 to f t l a er e s e a r c h e sf o c u s c 曲i nt e e l a n i q si m d l e i a 删i nc e r t a i np h a s e o f i cd e s i 弘n o w h a r d l y n c , e m i n gt h ec o o p e r a t i o no f d i f f 咖tt e e l m i q sa n dt h e i r i n f l u e n c eo ni cd e s i 印f l o w t a k i n gb j u t 6 1 2 2 ，a 衄o t ec o n t r o lc 哳鹪a n e x a m p l e ， t h ei s s u e sm 删o da b o v ei sd i s e m s e di nt h i sp a p c r a l s 0 9t h ec h i pd e s i 耐h e r eh a s u s ev a l u ei nt h ep o r t a b l eh o i 璐e h o l de l e e t r i e a la p p l i c a t i o nc o n 缸o lf i e l d f i r s t l y ，也ea r e h i t e e t u r ep a r t i t i o ni sb r o u 曲tl l pb a s e d 血ea n a l y s i s 如0 u tt h e 出p 出s i 乒r e q u i r e m e n ta n da p p f i e a t i o n 锄v i r o n m e n t t h eg l o b a l 舢y n c h m 璐l o c a l s y n e h r o n o 璐( g a l s ) m t c r e o l m e e t i m e c h a n i s mi sa d o p t e d w i 血r e s p e c tt o 础啊玎 o l 坩m i z 蜘，1 3t h o u s a n dl i n e sc o d ea mw r i t t e nf o rr t li m p l 既吐丑1 剐i o n ，a n dl o w 鲫衍辩h c m ef o rk e 灿a r ds e a n n i n g ，d a t ae n c o d i n ga n d 血ec o d et r a n s i t i o n 玳 p r o l d o n e d , a f t e rt h er t lm o d e lb e i n gb u i l t 峨p 聊e s t i l l l a l j i sa e e o m p l i s h e d , a n d h i 啪k 删c 1 0 c kg a t i n ga t e h i t e e t u r ei si m p l 既n 既i t c db a s e d t h ea n a l y s i so f s w i s h i n g 删吼t h e 舢e o m u m p f i o nd e e r e a s c d1 3 a t t e rp 佣惯o l t i m i z a f i o n , c o m p a r i n gt ot h eo r i g m a ld e s i g n a st h ep o w 盯o p t i m i z a t i o nt e e l a n i q u e sa 聆埘d e l yu s e d , t h ev e r i f i c a t i o nf o rl o w p o w 玎d e s i 弘i sb e c o m i n gm o r ea n dm o 陀蚍t a k i n gs y s t e m v e r i l o g si l s s 硎o n e l a e e ka n dc o 珊劬e dr a n d o ms t i m d mg 衄e r a t i o n 硝t h em a i nm e t h o d s , a n d 璐i n gt h e r a n d o m - d i r e c tv e r i f i e 撕o ns t r a t e g y , t h ev e r i t i e 撕o ng o a li sc o n s t m m a a t e d m g a t el e v e lp o 嘣o u t t m i z a f i o ni s 枷洲b yl o g i cs y n t h e s i s ，w l f i e h 锄b e a u t o m a t i c , a l l yi m p l 锄既【t e db ye d a t 0 0 1 t h el o g i c 毋e h 酏f o rb j u t 6 1 2 2a n dt h e d f t m i d e r a t i o nf o rc l o c kg a t i n gc e l l sa m l z o d u e e d c o o l , i o na z l dt h e 胛o s p e e ti o rf u t u r ew o r kc o m p o t h el a s tp a r to f t b i s p a p e r k e y w o r d l si cf r o n t - e n dd e s i 皿；l o wp 【 w e eg a l s ；c l o c k 学虹n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 关于论文使用授权的说明 渺7 参tf 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二弛导师签名：日期：型 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及课题意义 随着i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计的复杂程度和时钟频率的不断提高，芯片 功耗越来越高，根据国际半导体协会给出的国际半导体技术路线图( i n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，简称i t r s ) ，功耗问题已成为i c 设计 中制约i c 设计发展的瓶颈之一。图1 1 下方的实线给出了当前i c 设计所能达到 的功耗水平，柱状条则是结合工艺、器件、互连、设计复杂度做出的芯片功耗发 展趋势的预测。可以看出，在2 0 0 8 年之后实际的芯片功耗都将大大超出当前的 需求，如何应对日益增长的功耗已经成为i c 设计面临的主要挑战之一【l 】。 图1 - 1s o c 功耗发展趋势【1 1 f i g u r e1 - 1t h es o cp o w e rw e n d s 【l 】 从半导体行业的市场分布来看，根据i s u p p l i 的预测 2 1 ，与2 0 0 6 年相比，2 0 0 7 年所有主要应用的半导体需求都将增长，其中增长最强劲的领域将是数据处理、 有线通讯和消费电子产品部门。研究报告具体指出，今年有线通讯设备市场的销 售额将增长1 8 2 ：消费电子产品用芯片的销售额将增长1 4 4 ；数据处理部门 也将增长9 e o 。其中与我们日常生活关系密切的消费电子产品多为电池供电的便 携式系统，随着其功能的日益强大，所采用的芯片规模和功耗也日益增长，电池 供电时间缩短和电路热失效的现象越来越严重，功耗优化已经开始成为这类i c 北京工业大学工学硕士学位论文 芯片设计的关键。 功耗优化是当前i c 设计和研究领域的一个热点。目前大部分研究关注于特 定低功耗技术在i c 设计的特定环节的实现方法，而较少地从i c 设计总体流程的 角度出发，研究对i c 设计全流程中如何贯彻实施和协调各种低功耗技术，以及 低功耗设计方法对设计流程的影响。其原因是现有的i c 设计流程中缺乏统一的 功耗约束标准，对功耗优化过程的管理大多因公司而异，没有统一的范式可以因 循，对这方面的介绍多是各e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 制造商针对自 己的产品推出的设计方法学。 本课题结合一款用于消费类电子领域的低功耗红外遥控芯片的设计实现，尝 试对i c 前端设计中采用的低功耗技术的协调应用，并分析该方法对i c 设计流程 影响。论文研究工作对低功耗芯片设计具有实际的应用价值。 1 2 国内外相关领域研究进展及有待深入研究的问题 1 2 t 当前常见的低功耗设计技术简介 随着功耗问题日益成为当前i c 设计的焦点，低功耗技术不再仅仅是在设计 流程末端的简单优化，而是从芯片的体系结构设计就开始，并贯穿i c 设计的整 个流程。低功耗设计流程及相应的功耗分析方法如图l - 2 所示【3 】 。：2 罟热= 篙裂盅= - 恐徽怒；轿翟荔溉 一一一一一：皇竺竺竺：一一一二 黧瓣g 虢懿。一 d y n g w n k ： n ， 嵋h q 删-c 吐岫k - _ m , l i t c h m g - d b m o y n = m k n y t 丧黻黜一t 一 口- c ， 图l - 2 低功耗设计流程唧 f i g u r e1 - 2l o wp o w e rd e s i g nf l o wa n dd e s i g nd e c i s i o n 川 一2 - 第1 章绪论 为了在紧迫的设计日程表下满足预期功耗的目标，对于上百万门级的s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 芯片设计而言，在设计的整个流程通盘考虑功耗问题成为必 要：在体系结构设计时设计者应考虑如何做到对降低功耗最优；在设计实现时则 要考虑如何选取具体的微观结构，从而降低功耗同时保证性能并满足时序要求； 在逻辑综合及物理设计时则要考虑低功耗实现技术与时序、面积等因素的权衡。 在芯片的体系结构设计阶段，为了满足功耗、性能、时序、面积等各个设计 因素的要求，需要做多方面的权衡，例如制造工艺的选择、系统时钟频率的确定、 低功耗设计策略的选择等。此外，还有一个关键的任务就是系统的软硬件划分。 硬件速度更快，消耗的功耗也相对较少。但是由于硬件不易进行改动缺乏灵活性， 因此如果芯片采用标准或协议发生变化时，对系统的改动就比较困难。相反的， 软件实现部分运行速度相对较慢而且消耗的功耗也较多，但它们更加灵活易于修 改。在进行软件设计时如何创建能生成低功耗机器码的软件编译器，是当前一个 愈发引人关注的领域。例如，可以使编译器生成的代码在存储器中以一种非连续 性的方式进行存储，从而在顺序调用代码时地址线只有一位发生翻转，以降低动 态功耗。硬件方面，要根据系统中传输的数据类型和数量确定模块划分，其目的 是使模块之间通信的数量和信号翻转频率最小，从而最大可能地降低功耗。 确定体系结构后就开始进行具体的设计，选取适当的低功耗技术是功耗优化 的关键环节，体现了一个i c 设计者的专业技能水平。从功能的角度看，芯片的 功耗可以分为内核功耗、y o 功耗和宏单元，如锁相环p l l ( p h a s el o c kl o o p ) ， 功耗三部分【4 】。由于i o 单元和宏单元多是由厂商( f o u n d r y ) 提供，因此对设计者 而言，低功耗设计主要针对内核部分。 首先可以通过c m o s 电路中的功率公式来分析如何降低功耗。c m o s 电路 的功率可以分为动态功耗及静态功耗两大部分，如公式( 1 - 1 ) 所示。公式右侧 的第一项为动态功耗，第二项为静态功率。 ，= ( o r 2 口，+ f 7 ) ( 1 一1 ) 式中c 一负载电容的容值； 矿工作电压； a 信号翻转率： f 工作频率； ，出静态电流总和。 式( 1 1 ) 指出动态功耗由c v ，a 、，四个因素决定，因此想降低动态功耗 就需要从上述四个变量入手。 ( 1 ) 降低负载电容( c ) ：常见的技术包括引脚交换( p i ns w a p p i n g ) 。单元 尺寸优化( c e l ls i z i n g ) 等。目前这些技术已经比较成熟，它们都用于i c 的后端 设计，是门级乃至晶体管级的优化这部分工作可以利用芯片制造商提供的丰富 北京工业大学工学硕士学位论文 的工艺库单元由e d a 软件自动完成。 ( 2 ) 供电电压( 方面：对于系统中性能要求较低的模块采用低供电电 压( v ) ，即以一定程度的性能损失为代价降低功耗，这就引入了多电压域 ( m u l t i v o l t a g ed o m a i n ) 的概念。当系统中某一模块不工作时可以彻底切断其电源 ( p s o ，p o w e rs h u t - o f f ) ，这种方法能从很大程度上降低系统的功耗，由此就引 入了门控电源( p o w e rg a t i n g ) 和多电源域( m u l t i - p o w e rd o m a i n ) 的概念。这些 功耗优化方法在后端布局布线时，由设计者根据结构设计时制定的规划，调用工 艺库中特殊的门控电源单元实现。 ( 3 ) 降低信号翻转率( 口) 的方法可以分为硬件实现和软件实现。上面提到 的优化软件编译器的方法就是软件实现的一种，目前还有研究利用优化总线编码 ( b u se n c o d i n g ) 的方式来降低翻转率。而硬件实现中最常见也最有效的技术是 门控时钟( c l o c kg a t i n g ) ，对系统的信号翻转特性进行分析，如果某一部分的运 算结果无效时关断其时钟，从而停止信号翻转以降低动态功耗。这需要在结构设 计时制定全局的时钟规划，在各模块设计时根据实际情况完成具体的实现方案， 目前的逻辑综合工具能够有效的进行门控时钟的综合。 ( 4 ) 在工作频率( 力方面，传统的做法是动态频率调整( d f s ，d y n a m i c f r e q u e n c ys c a l i n g ) ，即在性能要求较低的时候降低工作频率，但这会增长运算时 间，所以降频实际上只能够降低功耗，达到散热的目的，但对于节省能耗并没有 明显的帮助。近年来又出现了动态电压调整( d v f s ，d y n a m i cv o l t a g ef r e q u e n c y s e a l i n g ) 技术 4 1 ，在降低工作频率的同时降低工作电压，该技术除了能够更节省 功耗的同时也能达到节省能耗的目的 静态功耗方面，由公式( 1 1 ) 可知主要是受到静态电流( i d 口) 及工作电压 ( v ) 影响。在降低i d a 上，目前比较常见的方法是采用多域值电压( m u l t i v 山) 的工艺库，设计者可以通过选择高域值电压( 速度较慢但静态功耗较小) 或低域 值电压( 速度较快但静态功率消耗较大) 的方式来降低功耗。另外，利用增加衬 底偏压( a l b s t t a t eb l a s m g ) 的方法可以来降低漏电流，从而达到降低静态功耗的 目的。在上面降低动态功耗方法中提到的动态电压调整( d v f s ) 和门控电源 ( p s o ) 等技术能够降低甚至关断电源电压，因此也可以降低静态功耗。 1 2 2 低功耗设计技术对i c 设计流程的影响 i c 设计不单是功耗优化的过程，低功耗技术的采用还要与芯片的面积、性 能和时序等因素权衡，而且由于功耗优化贯穿i c 设计始终，这就不可避免地会 对设计、验证、逻辑综合、d f t ( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ) 、物理综合等i c 设计的 第1 章绪论 各个环节产生影响。文献【5 】对部分常用的低功耗技术对i c 设计流程的影响进行 了总结，如表1 1 所示。 表1 1 低功耗设计技术对i c 设计流程的影响嘲 t a b l e l 1t h ee f f e c to f l o wp o w e rt e c h n i q u eo ni cd e s i g nf l o w t l 从表1 1 可以看出，在越高的抽象层次上进行的功耗优化其效果越明显；越 是先进的低功耗技术，如m s m v ( m u l t i p l es u p p l ym u l t i p l ev o l t a g e ) 和p s o ，对 降低功耗的效果越明显；但同时这些技术也在更大程度上增加了设计、验证及实 现的困难。 另一方面，也许单独使用一项低功耗技术时会相对容易一些，但是为了同时 满足时序和功耗等各方面的要求，这些技术通常都是结合起来使用的，这就进一 步增加了设计流程的复杂性。在采用某一项低功耗技术时，要从整体的角度出发， 考虑其对设计中所采用的所有其他技术的影响，各项技术应该能够相互支持，在 引入新技术时要保证已采用技术所取得的功耗节省能够得以保留。例如，采用较 小的驱动单元是一种最基本的低功耗技术，稍微减小一点设计容限( m a r g i n ) 就能 够得到更小的面积和更低的功耗。但此后为了使时序收敛( 6 m h 培c l o s u r e ) ，就很 可能为了修正延时而插入了太多的单元，从而抵消了此前采用较小驱动单元所实 现的功耗节省。 出于以上考虑，设计者需要能综合考虑各项低功耗技术，在设计过程中及时 进行合理的功耗估计，并做出相应设计上的调整，实现功耗的最优化。为了保证 各种低功耗技术在整个i c 流程实现时的协调性，迫切需要一个统一的标准来规 范和量化功耗的优化过程。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 目前行业中的功耗标准及其纷争 目前的设计流程中缺乏统一的功耗标准，设计者需要创建大量的非标准的规 范( s p e c i f i c a t i o n ) 来进行功耗约束。此外，低功耗设计往往不能一次成功而是 一个递归的过程，而准确的功耗估计一般都在逻辑综合之后才能进行，这种滞后 导致一旦功耗不满足设计要求而需要修改设计时非常费时费力。出于对功耗问题 的关注，目前业界在功耗标准的开发和应用方面发展迅速，但是由于e d a 行业 的竞争，出现了两个不同的功耗标准 在i c 设计e d a 工具供应商排名首位的c a d e n c ed e s i g ns y s t e a mi n c ( 以下 简称c a d e n c e ) 在2 0 0 7 年1 月提出了c p f ( c o m m o np o w e rf o r m a t ) ，并作为s i 2 ( s i l i c o ni n t e g r a t i o ni n i t i a t i v e ) 标准发布随后，作为对立阵营的s y n o p s y s 联合 m a g m a , m e n t o r g r a p h i c s 和s u n m _ i c r o s y s t c m s 公司所支持的u p f ( u n i f i e d p o w e r f o r m a t ) 在2 0 0 7 年2 月作为a c r e l l e r a 标准发布。这样就出现了两个互不兼容的 行业标准，这严重影响低功耗设计方案的发展。目前各方面正在努力促成两个标 准的统一 下面以c a d e n c e 提出的以c p f 核心的低功耗设计流程为例，对目前业界低 功耗设计方案的思想进行简单介绍。以c p f 为核心的低功耗设计方法提出了新 的i c 设计流程如图1 3 所示。 a ) 传统的i c 设计流程 ”引入c p f 考虑功耗优化的设计流程 图i - 3c p f 将功耗优化过程集成到i c 设计流程中旧 f i g u r ei - 3i n t e g r a t ep o w e ro p t i m i m i o n si n t ot h ei cd e s i g nf l o wu s i n gc p f 旧 第l 章绪论 对比图1 - 3 0 ) 所示的设计方法，新的设计流程采用了统一的功耗约束文件 ( c p f ) 。在确定了设计目标和设计方案后，设计者就可以用功耗约束文件准确 地描述预期的功耗设计目标，此后像传统设计流程中使用s d c ( s t a n d a r dd e s i g n c o n s u a i n t ) 文件进行时序优化一样，使用c p f 进行全流程的功耗管理和功耗优 化。这样，在设计流程的最初阶段( 如r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 设计和功 能验证时) 设计者就可以结合e d a 工具提供的功耗预估技术进行比以往更为准 确功耗估计，从而能够及时做出相应的调整。另外，如果设计者对设计方案或者 功耗优化的目标进行调整后，通过修改c p f 文件即可快速准确地进行“w h a t i f 的尝试。c p f 的引入解决了本节开始时提到的功耗优化过程中的两个问题，为快 速准确地进行功耗优化提供了可能。 目前这种全流程的功耗估计和优化技术尚处于起步阶段，即缺乏广泛的 e d a - f 具支持又缺乏充分的实践检验。但是i t r s 对系统级功耗评估技术做出了 较为乐观的预测【7 】从图l - 4 可以看到，系统级功耗估计技术目前处于从前期研 究到应用开发的关键阶段，在近三年内将得到迅速发展，并有望在五年之后，即 2 0 1 0 年作为一项成熟的技术应用于i c 设计流程中。 图1 4i t r s 系统级功耗估计技术发展路线图【7 l f i g u n1 - 41 1 ”i i r sr o a d m a pf o rs y s t e m - l e v e lp o w e re s t i m a t i o nt e c h n i q u e sp 3 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题依托于国家发改委的下一代互联网示范工程2 0 0 5 年研究开发、产 业化及应用实验( 分项c n g i 0 4 1 0 - 1 di p v 6 无线传感器网络节点) 项目，经费 来源于国家发改委项目提供的经费以及部分实验室经费。本课题通过一款低功耗 红外遥控芯片的设计实现，针对以下方面进行研究 ( 1 ) i c 前端设计中的常用的低功耗技术的实现和协调。 ( 2 ) 低功耗设计技术对i c 设计前端流程的影响。 本论文由七部分组成 第一部分：绪论，介绍课题的学术背景、理论与实际意义，相关领域的研究 北京工业大学工学硕士学位论文 进展和存在的不足，以及课题来源及主要研究内容。 第二部分：b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片设计方案，针对本课题芯片的应用环境 和设计目标，介绍如何根据性能要求进行体系结构设计，提出系统模块划分方案 第三部分：b j i 兀 6 1 2 2 红外遥控芯片的设计实现，基于对芯片结构的分析， 介绍如何以功耗优化为中心，完成芯片最初的r t l 设计实现。 第四部分：红外遥控芯片的功耗优化，根据对芯片r t l 设计实现的仿真结 果进行功耗估计，据此进行进一步的功耗优化 第五部分：针对低功耗设计的验证策略，针对低功耗设计引入的问题提出验 证方案，采用s y s t e m v e r i l o g 解决了由功耗优化技术所带来的验证问题。 第六部分：针对低功耗设计的综合策略，介绍针对芯片的低功耗设计结构采 取的综合方案 最后是结论部分，介绍芯片的实现情况，在总结本论文完成情况的基础上， 指出对本课题进一步研究工作的展望与设想 第2 章b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片设计方案 第2 章b j u t 6 12 2 红外遥控芯片设计方案 随着家用电器的广泛普及，家用电器的数目和种类日渐增多，家电控制一体 化和无线遥控成为家电发展的必然趋势。智能信息家电由于其安全、方便、高效、 快捷、智能化等特点在2 1 世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。当家庭综合 服务器( i n t e g r a t e dh o m es e r v e r ) 将家庭中各种各样的智能信息家电连接在一起 时，就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统【8 】。红外线遥控是目 前广泛使用的一种通信和遥控手段，由于其体积小、功耗低、功能强、成本低等 特点，在彩电、录像机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上被广 泛采用。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下。采用红外线遥 控不仅可靠而且能有效地隔离干扰。 由于家电控制领域的设备多为手持式，采用电池供电，功耗优化成为其芯片 设计时要考虑的一个尤为重要的因素。本课题选取一款用于智能家电领域的红外 遥控芯片的设计，对i c 前端设计中所采用的低功耗技术及其对i c 设计流程影响 进行研究，具有典型的代表性和应用价值。 2 1b j u t 6 1 2 2 芯片功能简介 本课题中红外遥控芯片预期的应用环境如图2 1 所示。它可以应用于多种家 用电器的控制，采用电池供电，通过键盘扫描和配置电路实现控制信号输入，采 用脉冲相位调制编码( p p m ，p u l s ep h a s em o d u l a t i o n ) 进行控制信号编码，编码 信号串行送出后驱动外围红外发光二极管发出红外信号，实现红外遥控的功能。 图2 1b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片应用环境 f i g u r e2 - 1t h ea p p l i c a t i o nc i r c u i tf o rb j u t 6 1 2 2i l n a o t ec o n t r o lc h i p 本设计中的编码脉冲信号包括数据编码( d a t a c o d e ) 和用户自定义码( c u s t o m 北京工业大学工学硕士学位论文 c o d e ) 两部分前者通过读入外部键盘的按键值，按一定的编码规则编码后得到， 后者则是根据键盘矩阵上是否接有上拉电阻和二极管得到，用于区分不同的家电 设备。用户自定义码配置方式简单易改动，可以满足单一芯片对多个家电的控制 的要求。另外，为了消除键盘抖动等误操作可能带来的影响，该芯片具有去抖功 能。芯片的工作过程可以用图2 - 2 所示状态转移图描述。 图2 - 2 芯片状态转移图及对应数据通道单元工作情况 f i g m e2 - 2t h es t a t e t r a n s i t i o nd 蛔 a ma n dt g l a l g dd a t a t t ha c t i v i t y 在上电复位后如果键盘没有按键按下，系统处于低功耗休眠状态；当检测到 有键按下时，芯片对键盘进行轮扫以判断是哪个键按下，同时读取编码模式和序 列码选择信号，根据读入的信号进行编码操作并采取相应的操作；如果按键操作 正确则对编码进行存储，等待3 6 m s 后通过并转串单元送出编码信号和输出标志 位：如果按键操作错误，则要等到按键松开后3 6 m s 进入等待状态；编码传输完 成后，系统将察看按键是否已经松开，如果是则进入等待停机状态，否则传输简 化的编码信号( 表示按下的是同一个键) ：在等待停机状态下如果1 2 6 m s 内没有 键按下则系统再次进入低功耗休眠状态，直到再次有键按下重复以上过程。 第2 章b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片设计方案 2 2b j u t 6 12 2 芯片低功耗设计方案 2 2 1 芯片的模块互连策略 通过对芯片功能的分析可知，数据通道各单元之间的数据交换并不频繁，对 时问精度要求也不高，因此可以采用全局异步局部同步( g l o b a la s y n c h r o n o u s l o c a ls y n c h r o n o u s ，以下简称g a l s ) 的系统互连策略阻儿】，即模块内部采用同步 时钟，模块之间的通信则采用异步方式完成，如图2 - 3 所示。 数据 口异步通信协议 图2 - 3 全局异步局部同步的系统互连策略 f i g u r e 2 - 3t h eg a l si l n 既。咖e c d o nm e c h a n i s m g a l s 的互连方式有如下优点： ( 1 ) 消除了对全局时钟的依赖，实现了系统的模块化，各个模块可以根据 局部的要求确定局部时钟的频率。在一个系统当中，并不是每个模块的速度要求 都是一样的，速度要求较高的模块可以采用较快的时钟频率，而速度要求不高的 模块则可以使用分频以后的时钟。由公式1 1 可知，这降低总体的平均工作频率 和动态功耗 9 1 ，消除了很大一部分的功耗来源。 ( 2 ) g a l s 还可以针对特定模块的时钟扭曲和驱动要求，对模块内部时钟 进行剪裁，这有利于降低后端设计的难度。由于平衡时钟树的难度降低了，因此 不需要在时钟网络上添加那么多的驱动单元和缓冲器，这进一步降低了功耗。 ( 3 ) 最后，由于各个同步模块的工作时钟都是相对独立的，这有利于进一 步引入门控时钟等低功耗设计技术。 异步模块之间的通信方式有多种，如采用异步f i f o 、握手信号、多次时钟 采样等。根据芯片的工作特点，本设计在主控制模块的统一调度下采用握手信号 的异步互连方式，如图2 4 所示。这种实现方式简单，减少了额外的硬件开销， 避免带来新的功耗增长。 北京工业大学工学硕士学位论文 口口 二二二二二二二二二二= 图2 - 4 异步模块之间的握手信号互连 f i g u r e2 - 4t h eh a n d s h a k ec o m m t m i c a t i o nb e t w e e na s y n c h r o n o u sb l o c k a 2 2 2 层次化门控时钟设计方法 门控时钟的设计方法是一种成熟的低功耗设计技术，它被广泛地应用于当前 的i c 设计中只要进行正确的r t l 描述并施加相应的约束，目前的e d a 综合 工具能够自动将电路的某些结构替换为门控时钟单元，如图2 - 5 中右侧灰色部分 所示，这种门控时钟单元由一个低电平有效的锁存器和与门组成。采用这一结构 的原因在于，使能信号e n 只在时钟信号c l k 下降沿附近有效，从而能保证产 生完整的门控时钟信号，避免产生毛刺。 图2 - 5 门控时钟单元在电路中的应用 f i g u r e2 - 5t h ec l o c kg m n gt r a i ti m p l e m e n t a t i o n 插入门控时钟单元以后，当寄存器输入端的数值保持不变其时钟被关断，这 就降低了寄存器上的动态功耗；同时由于被关断部分的时钟网络电容减小了，也 就降低了时钟网络的开关功耗；另外，由于使用锁存器取代了原有电路中的多路 选择器，电路的面积也相应减小了。 由本章2 1 节介绍的系统工作过程可以发现，芯片数据通道的各个单元对应 工作情况如图2 2 右侧列表所示，表中“是”表示处于该单元处于工作状态作 进一步的抽象和简化后可以看到，系统在一个传输周期内的基本工作过程可以表 述为。停机专扫描& 编码存储专传输专停机”在停机状态数据通道是空闲的， 此时系统的唯一的任务是判断是否有键按下，即使在正常工作时，系统的数据通 第2 章b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片设计方案 道也是串行地分时间段工作的。 基于以上分析，本设计采用层次化的门控时钟( m u l t i s t a g ec l o c kg a t i n g ) 的 设计方法【珥唧，如图2 - 6 所示，图中深灰色小方块代表门控时钟单元。根据芯片 中各模块的工作情况确定多个时钟使能信号( c g _ 1 c g _ 4 ) ，形成系统级、模块级、 直至寄存级的层次化门控时钟网络。就本设计而言，可以在停机等待期间关断整 个系统时钟，直到有键按下再次被唤醒为止；在正常工作过程中关断那些不活动 的数据通道单元，只开启主控单元和活动的数据通道以降低功耗。 图2 - 6 层次化的门控时钟结构 f i g u r e2 - 6h i e r a r c h i c a lc l o c k 印l i r 唔a r c h i t e c t u r e 由于本设计采用了g a l s 的互连结构，主控单元向数据通道单元发出控制 信号本身就可以作为模块的时钟门控信号，不需要额外增加控制信号，在实现功 耗优化的同时对设计的复杂程度和面积的影响不大。 2 2 3 上电复位单元的设计 由参考文献【3 】可知，为了达到足够的驱动能力的要求，f o 引脚的功耗占芯 片总功耗的很大一部分。为此，减少i o 引脚数目也是低功耗设计要考虑的一个 方面。本设计采用了内部上电复位的方式，芯片中设计了一个全定制的上电复位 电路，无需外围的复位信号，节省了一个f o 引脚也就进一步降低了芯片功耗。 设计中采用的上电复位电路的原理图如图2 7 所示，图中左侧的电阻、电容 和反向器构成了延时生成单元，电源上电后经过r c 网络产生延时脉冲后反向输 出；延时脉冲通过图中右侧一个缓冲器( b u f f e r ) 后分成两路，一路直接输出到 一个异或门的输入端，另一路经延时单元( d e l a y ) 后送至异或门的另一个输入 端，从而产生一个脉冲信号作为上电复位信号。 北京工业大学工学硕士学位论文 d e h yg 锄d o n p 商t i o e 图2 - 7 上电复位电路原理图 f i g u r e 2 - 7 s c h e m a t i c f o r p o w e r - o n - r e s e t ( f o r ) c i r c u i t p o r p g o i i 删 为了产生足够宽的脉冲信号，延时单元的延时应足够长，设计中采用了图 2 8 所示的延时电路。图中延时电路的上半部分为由串联的反向器构成的缓冲器， 反向器的p 管沟道宽度较宽而n 管沟道宽度很窄，因此反向器充电速度快而放 电速度很慢，这有利于增加复位脉冲的宽度；反向器的n 管接到电路图的下方 的镜像电流源的一端，镜像电流源的另一端通过一个大的限流电阻接到电源上， 使流过的缓冲器电流值很小，进一步增加延时时间。 图2 - 8 上电复位电路原理图 f i g u r e2 - 8s c h e m a t i cf o rp o w e r - o n - r e s e t ( p o r ) c i r c u i t 使用c a d e n c ev i r t m o 对该电路进行晶体管级仿真结果如图2 - 9 所示，本设计 采用高电平异步复位的方式。图中下方为上电时的电源波形，在约2 1 u s 处模拟 了可能出现的电源电压波动；图中上方为对应的上电复位信号波形，可以看到在 电源上电之后，复位信号输出了一个高电平脉冲，持续时间约为2 5 u s ，同时该 电路对电源电压波动的影响有抑制作用，不会出现误操作。在本设计采用的工艺 第2 章b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片设计方案 条件下，该电路满足对复位信号的要求，能够实现上电复位的功能。 图2 - 9 上电复位电路仿真波形 f i g u r e2 - 9t h es i m u l a t i o nw a v e f o r mf o r t h ep o w e r - o n - r e s e tc i r c u i t 2 3b j u t 6 12 2 芯片的体系结构设计 基于以上分析，完成系统的模块划分如图2 1 0 所示。图中m c u 为系统的 主控制单元，用于读取各模块的状态信号并发出相应的控制信号，实现g a l s 的互连模式，同时完成门控时钟的控制；图中灰色阴影标出的三个单元构成系统 的数据通道，按数据流向依次为键盘扫描编码单元、数据存储单元和编码传输单 元。图中o s c 引脚是晶振输入；k i 、k i o 于用扫描键值；m o d 和s n s 分别为 传输模式和序列码选择位；c o d e 是串行编码输出端口；f l a g 是对应的输出标 志位，低电平有效。这样的模块划分符合g a l s 的原则，有利于实现层次化的 门控时钟设计。 图2 - 1 0b j u t 6 1 2 2 芯片结构框图 f i g u r e2 - 1 01 1 * = c h i t e c t u r eb l o c kd i a g r a mf o rt h eb j u t 6 1 2 2c h i p 1 5 - 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章通过系统应用环境和工作过程的分析，以低功耗设计为着眼点，确定了 全局异步局部同步( g a l s ) 的模块互连策略和层次化门控时钟的设计方法，完 成了芯片体系结构的划分。为了降低i o 引脚上的功耗，本设计采用了片上上电 复位电路。本章最后给出了芯片的模块划分框图。合理的系统结构设计为进一步 的功耗分析和优化奠定了基础。 第3 章b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片的设计实现 第3 章b j u t 6 12 2 红外遥控芯片的设计实现 功耗优化是一个不断修正，逐渐收敛的过程。芯片各模块的具体实现方案是 进行功耗估计和进一步功耗优化的基础，在设计之初，首先建立一个能够完成设 计基本功能的原型，然后根据其仿真结果进行功耗评估，用功耗评估得到的数据 对比印证结构设计时的设想，结合实际情况对方案进行修正，完成进一步的功耗 优化。 基于第2 章的对芯片结构的分析，本章介绍b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片的r t l 设计实现，介绍如何以功耗优化为中心选取实现方案，为进行功耗估计和进一步 功耗优化奠定基础。 3 1b j u t 6 1 2 2 红外遥控芯片的内核结构 本设计r t l 实现完成后内核部分的结构如图3 1 所示，顶层模块的r t l 代 码见附录i 。图中m c u 为主控制模块，负责系统的调度；s c 蛆，s t o r a g e 和t r a n s 三个单元构成数据通路；o s cc t t l 为低功耗监控单元，负责关断系统时钟使系统 进入低功耗休眠状态，并在外围有键按下时唤醒系统时钟；t i m i n g 为计时单元， 用于m c u 对数据处理过程的时序控制；c l o c k 为内部时钟处理器，用manager 于产生内部时钟和输出载波信号。本章下面各节将对各模块进行进一步的描述。 n 体 h a _ p -