（电路与系统专业论文）soc系统功耗管理的研究和开发.pdf

s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 s o c 系统功耗管理的研究和开发 摘要 集成度和时钟频率鹩多稍度提高，这二方面的同时发展导致集成电路的功耗 越来越大，使得集成电路的功耗问题日益突出。s o c 系统的设计与普通集成电路 不同，不是使用晶体管来搭建，而是使用i p ( 1 1 1 t e l l e c t u a lp r o p e r f y ) 来搭建系统。 集成密度的提高也使s o c 系统集成的i p 数以摩尔定律的速度增加，带来的不仅 仅是复杂度的提高，更是功耗的增加和功耗密度的飞涨， 为了抑制功耗增长带来的s o c 芯片的可靠性问题，更为了在嵌入式系统， 尤其是电池供电系统中发挥s o c 系统应有的作用，在硬件领域，低功耗硬件电 路的设计方法得到了广泛应用。然而仅仅利用低功耗硬件电路仍旧不够，进一步 的，在系统设计技术中，提出了“动态功耗管理d p m ( d y n 蛳i cp o w e r m a n a g e m e m ) ”的概念。在d p m 中，普通的方法是把系统中不在使用的组件关 闭或者进入低功耗模式( 待机模式) ，这种方法已经不能满足要求。 本文针对浙江大学与杭州中天微系统有限公司合作开发的s o c 平台 c k m 5 l o x 系列，提出了基于d f s ( d y n a m i cf r e q u c n c ys c a l i n g ) 、d v s ( d y n 锄i c v o h a g es c a l i n g ) 技术和门控时钟( c 1 0 c kg a t i n g ) 的功耗管理的实现方法。其中， d f s 的运用使得该s o c 系统可以根据系统的实时计算需求，在系统运行时调整 系统的时钟，包括c p u 时钟，a h b 和a p b 总线时钟，来达到动态降低系统功 耗的目的。d v s 技术更进一步的让系统在低频率运行的同时，控制片外的逆变 器使得系统的供电电压也同时降低，进步降低了系统的功耗。同时，联合了门 控时钟技术，使得s o c 系统的每个模块都可以根据系统的实时需求切断和打开 时钟信号。 本文主要针对这三种主要的技术阐述了所实现的功耗管理系统的概念，流程 和设计中的重点，并在这个基础上做了功耗测试，证实了这个功耗管理系统的有 效性和高效性。使得该s o c 系统的功耗效率得到了提高，具有参考价值。 关键词：功耗管理，低功耗，片上系统 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp o w e rm a n a g e m e n ti n s o cs y s t e m s a b s t r a c t t h eg r e a tg r o w c l li nm ed e n s i t yo fi m e 掣a t i o na n dc o r e 丘e q u e n c yl e a dt ot h eh u g e i n c r e a s ei nt h ee n e r g yc o n s u n l p t i o ni ni n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a n dt h u sb r i n gt h ep r o b l e m o fe n e 瑁yc o n s u m p t i o no fi c st oan e we r a s o cs y s t e m sa r eb u i l t 丘d mi p s ( i n t e u e c t l l a lp r o p e n y ) r a t h e rt h a i ls i 工1 9 1 e 廿a 1 1 s i s t o r s b e c a u s eo f 也ec o n t i n u o u sd o w n s c a l eo fp i t c hs i z e ，i nm en u m b e ro fp si n t e 伊a t e db ys o cs y s t e m sa l s of o l l o wm e m o o r e sl a wl i k e 订a i l s i s t o r s t h j sn o to n l y1 e a dt om o r ec o m p l e xs y s t e m s ，b u ta l s o n o t a b l em c r e a s ei np o w e rc o n s u m p t i o n i no r d e rt of m f i i lt h ed e s t i n yo fs o cs y s t e m si ne m b e d d e ds y s t e m s ，a i l de v e n b a 仳e r y p o w e r e ds y s t e m s ，m eh a r d w a r ed e s i g n i n gt e c m q u e su s e dt or e d u c ep o w e r c o n s 啪p t i o ni nc i r c u i t si s n o te n o u g h an e ws y s t e md e s i g nm e t h o ds on 锄e d “d y n 跚i cp o w e rm a n a g e m e n t ”i si i l 缸d d u c e d b u tt 1 1 eo l d f a s i l i o n e dt u m i n gs y s t e m i n t oi o wp o w e rm o d ei sn o te n o u 曲t o d a y t l l i s 廿l e s i sp r e s e m sap o w e rm a n a g e m e n ts y s t e ms u i t a b l ef o rt h ec k m 51o xs o c s y s t e mc o d e v e l o p e db yz h e j i a n gu n j v e r s i t ya n dh a l l g z h o uc s k ym i c r o s y s t e m sc o l t d t h r e et e c h n o l o g yi n c l u d i n gd f s ( d y n 锄i cf r e q u e n c ys c a l i n g ) ，d v s ( d y n a m i c v 0 h a g es c a j i n g ) a 1 1 dc 1 0 c kg a t i n gi si n 廿o d u c e d d f sa l l o w ss y s t e mt om na tal o w e r f k q u e n c yw h e nl e s st l l r o u g h p u ti sr e q u i r e d ，d v se n a b i e s 廿l es y s t e mt or u ni nal o 、v e r s u 即l yv o h a g ew h e nt h es y s t e mi sm r l n i n ga tl o w 丘e q u e n c i e sb yc o n t r o l l i n gt h e o m c h i pc o n v e n e lt h ec l o c kg a t i n gs y s t e mc a l lt u mo 舶f rt l l ec l o c ks i g n a lo fa i l m o d u l e si nm es o c s y s t e mw i t h o u t 擅b c t i n go t l l e rm o d u l e s t h e 也e s i sd e s c 矗b e d 也eb a s i cc o n e 印t s ，n o w ，a n di m p o r t a n tn o t e so fm ep o w e r m a l l a g e m e n ts y s t e m 印p l y i n gt 1 1 et h r e et e c h n i q u e s p o w e rc o n s u m p t i o nt e s t sa r er u n t op r o v et h ea v a i l a b i l i t ya 1 1 dh i 曲e 伍c i e n c y t h ep o 、 r c rm a 王l a g e m e n ts y s t e mr e d u c e d t h ep o w e rc o n s u m 面o no f t 圭1 es y s 栅n ，a n dm a k e sag o o de x 啪p l e k e y ，0 r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ，l o wp o w e r s o c 2 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 6 3总结，6 3 64 展望6 3 硕士期间发表和录用的论文二6 5 垩t 谓 一一6 6 参考文献6 7 图片索引 图1c m o s 电路的功耗9 图2c m o s 电路的交流开关功耗9 图3c m o s 电路的直流开关功耗1 0 图4c m o s 电路的静态功耗1 1 图5c m o s 电路的漏电流一1 1 图6 适台门控时钟设计的电路1 6 图7 插入门控时钟后的电路1 6 圈8 预计算逻辑结构1 7 图9 低功耗因子提取1 8 图1 0 动态频率调节示意图2 3 图1 1d f s 技术与系统挂起技术的比较2 3 图1 20 1 3 岫c m 0 s 数字工艺的标准制程的电压与所能达到的频率关系2 5 图1 3d v s 与d f s 的比较，2 6 图1 4c k m 5 1 0 xs o c 的框图2 8 图1 5c k 5 1 0 处理器的框图2 9 图1 6 时钟生成模块( c l o c kg e l l e 嘣o r ) 的框图3 0 图1 7 系统工作模式转换图3 1 图1 8 功耗管理模块( p o 、v e r m a n a g e m e n t ) 的框图3 2 图1 9 低电压运行时变频锁相环3 6 图2 0c k m 5l o x 系统变频的软件操作和硬件行为3 5 图2 1d v s 架构3 7 图2 2 静态c m o s 反向器的等价r c 电路3 8 图2 3 寄存器单元的修改3 9 图2 4 多电压示意图4 0 图2 5 多电压结合d v s 4 1 图2 6 功耗转换图4 5 图2 7 系统运行时的功耗链表4 9 图2 8 系统待机时的功耗链表4 9 图2 9 a 接受p m s ”姗y 之后的链表4 9 图3 0a 和b 接受p m _ s t m q d b y 之后的链表5 0 图3 1a p m 模型5 l 图3 2 功耗状态转换举例5 4 图3 3c k m 5 1 0 xs o c 系统的功耗模式转换图5 5 图3 4 进入w a i t 模式的软件控制流程5 6 图3 5 进入d o z e 模式的软件控制流程5 6 图3 6 进入s t o p 模式的软件控制流程5 7 图3 7 测试1 结果6 2 4 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 表格索引 表l 各外围模块在不同低功耗模式下的状态3 2 表2 功耗管理模块的寄存器描述3 4 表3 测试条件列表5 9 表4 恒压状态下的c p u 在各频率下的功耗6 0 表5 不同电压状态下的c p u 在各频率下的功耗6 l 表6 测试二的结果6 2 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 1 第一章集成电路与功耗问题 这一章介绍了功耗问题在当今集成电路产业发展道路中的重要地位。 1 1 集成电路的发展现状和摩尔定律 在支撵电子信息技术的所有技术中，最重要的是微电子技术，它是构成现代 电子信息技术的基础，同时也需要最大的工业基础和资金的支持。2 1 世纪未来 谁掌握最先进的微电子技术，谁就将执产业之牛耳。 计算机、数字通信技术、微电子学都属于电子信息领域。微电子学是电路的 物质基础，数字处理是先进的处理方法，通过计算机构成应用系统，这就是三者 的关系。微电予技术是最近十几年进步最快的一门技术，微电子技术奠定了信息 技术发展最重要的物质前提，即超大规模集成电路。1 9 4 8 年发明的锗二极管是 点接型的，通过平面工艺和光刻技术的引入，1 9 5 8 年第次将四个晶体管制作 在一个硅片上，开创了集成电路的历史。 近十几年光刻技术经历了波长越来越短，控制越来越精密的紫外光、软x 射线、电子束、同步辐射光刻等若干阶段，特征线宽已经达到o 0 8 微米的水平。 而电路集成度则按线条数平方上升。由于线宽减少和工艺改进，使得集成电路速 度不断提高，同时m o s 管低功耗技术的应用，集成电路的集成度和性能基本上 按照每1 8 个月翻一翻的摩尔定律速度前进。i n t e l 作为全球最大的通用c p u 的生 产商，早在2 0 0 2 年就已经将包含1 0 亿个以上的晶体管的处理器m o m e c i t o 提 上日程，而这款处理器实际的生产也在去年成为了现实，使用了最新的6 5 n m 制 程，比预期的2 0 0 7 年还提前了2 年。在存储集成电路领域，三星甚至在i n t c l 之 前一个月就发布了1 6 - g b i tn a n dn a s hm e m o r y 芯片，单芯片的晶体管数量也超 过了1 0 亿，使用的是5 0 n m 的制程。 虽然微电子学早就有专家不断的预测达到了物理的极限，但是，聪明的人类 还是不断的打破了这些预测，摩尔定律还将继续保持有效。 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 1 2 集成电路面临的功耗问题 低功耗已成为集成电路研究中的一个主要课题。早期的微电子设计关心的是 性能、面积、成本和可靠性。由于集成密度的提高和时钟频率的加快，出现了功 耗和冷却方面的问题，从1 9 7 0 到1 9 8 0 年，由于广泛地使用了c m o s 电路而使 功耗问题得到缓解i 同时按比例缩小m o s f e t 的尺寸，也降低了电路的电源电 压，进一步降低了功耗。除了在军事和空间应用中，早期以下因素推动了对低功 耗分析的考虑： 可靠性，过量的热耗散可能导致失效机制。 芯片封装成本的提高，功耗在1 2 瓦以下时，可以使用廉价的塑料封装。 电池寿命：电池驱动的便携式应用要求更长的电池使用时间，而电池技 术的进步跟不上对更长使用时间的需求。 随着集成电路技术的进一步发展，在一块芯片上所能集成的电路规模越来越 大，且速度也越来越快。集成度和时钟频率的大幅度提高，这二方面的同时发展 导致集成电路的功耗越来越大，使得集成电路的功耗问题日益突出。例如，单个 芯片上集成的晶体管数达到了l o 亿级，而制造工艺的特征尺寸已经小于光刻所 使用的光源的波长，这些都使得单位面积的电路密度成倍提高。此外，时钟频率 也在不断提高，达到了g h z 的数量级。如此巨大的功耗不仅使各种便携式设备 遇到电源方面的困难，而且芯片的过热亦导致它们易于工作失效和寿命缩短，这 一切均使人们在近年来对集成电路的低功耗设计技术投入极大的努力。随着集成 电路千万门时代的来f 晦，音频视频应用越来越多，个人计算设备如便携影音播 放器、多媒体产品以及无线通讯系统( 如个人数字助手等) 、医疗设备等消费电 子产品已成为低功耗设计的主要驱动力。在不远的将来，视频压缩和解压缩、语 音识别等应用都将集成在类似个人数字助手( p d a ) 的便携式设备上。除了功能 和速度，功耗作为设计的第三因素，正是对a s i c 设计者提出的迫切挑战。即使 在对非移动式设备上，功耗也正是一个设计中的重要考虑因素。 基于以上理由，功耗已成为v l s i 技术中关键性的限制因素之一。现实因素 促使v l s i 研究者设计者、以及相关工业界形成共识，1 9 9 2 年美国半导体工业联 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 合会确诊低功耗设计技术是集成电路设计的一个紧急技术需要。美、日等国不但 投入了大量的人力物力进行技术攻关，而且还成立了低功耗技术的专业委员会， 每年召开一次专门的会议，低功耗技术得到了迅速的发展。可以说谁掌握了低功 耗技术，谁就占领了电子信息产业的制高点。如果我们一开始就注重当前这一超 大规模集成电路发展中的前沿研究，则对我国集成电路工业在以后赶上国际先进 水平是有利的，对信息技术的发展将会起到重大的作用。 减小功耗己成为v l s i 设计的一个活跃的研究领域，在今后的数年中，市场 要求功耗必需成量级地减少。但是，由于满足功耗设计需要的自动化软件发展太 慢，设计者不得不在设计后期反复重新设计以满足功耗特性，使得产品设计周期 延长，推迟上市时间。为使功耗设计能溶入设计方法学，使得设计者在考虑延迟、 面积等设计因素的同时，也能进行功耗方面的分析权衡，快速的、精确的、有效 的功耗分析和估计方法必须在设计的各个层次上得到发展。 2 第二章功耗的产生 2 1 功耗的物理成因 低功耗设计应该贯穿在设计的每一步中。那么首先要知道功耗源于何处，才 能有针对性地改善功耗。c m o s 电路中有两种主要的功耗来源：静态功耗和动态 功耗( 图1 ) 。 2 1 1动态功耗 其中，动态功耗包括短路电流引起的功耗( 称为直流开关功耗或短路功耗， 发生在跃变过程中双管同时导通引起的瞬态电流而形成的功耗) 和负载电容的功 耗( 称为交流开关功耗，由对负载电容充放电电流引起的功耗1 。 交流开关功耗 当反相器的输入为理想阶跃波时，对纯电容负载c 充放电所消耗的功率为交 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 流开关功耗( 图2 ) 。c m o s 反相器的平均动态功耗为 弓= 口q 假t t 式中，口为开关系数，即每个时钟周期中发生状态变化器件的个数，c 为 负载电容，厂厂为电路的工作频率，屹为电路的电源电压值。 屹 图1c m o s 电路的功耗 图2c m o s 电路的交流开关功耗 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 直流开关功耗 当反相器输入为非理想阶跃坡时，在输入坡上升沿或f 降沿瞬间，存在p 管和n 管同时导通的区域，由此引起的功耗称直流开关功耗或短路功耗。其值 为： 咒= 岛 式中，为电路的电源电压值，b 为短路电流值( 图3 ) 。 圈3c m o s 电路的直流开关功耗 2 1 2静态功耗 静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。 从理论上讲，c m o s 电路在稳定状态下没有从电源到地的直接路径，所以没 有静态功耗。然而，在实际情况下，扩散区和村底之间的p n 结上总存在反向漏 电流，该漏电流与扩散结浓度和面积有关，从而造成一定的静态功耗( 图4 ) ，其 值可表示为： p s = v | d i l e 妇 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 式中，为电路的电源电压值，k 。蛔胖为漏电流的值( 图5 ) 。 图4 c m o s 电路的静态功耗 ，叫 图5 c m o s 电路的漏电流 通过以上讨论，可以得到电路的总功耗为： s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 p = p d + p l + p s = n cl 乞+ v 挂i 、t 七v 托i t e 。m 式中，占主要地位的是b ，它主要取决于三个参数：负载电容、时钟频率 和电源电压。随着c m o s 集成电路尺寸的减小，栅电容和电源电压也相应减小， 当门数固定、时钟频率提高时，由于功耗近似正比于频率和负载电容的一次方， 而正比于电源电压的二次方。所以整个电路功耗将减小。 2 2 功耗与信息 上面讲的是功耗的物理来源，从这个角度降低功耗，基本上需要依靠制造工 艺的改进( d v s 技术也是从这个角度考虑) 。对晶体管和其他电路的组成部分进 行结构的改进，降低晶体管每次开断的功耗。 此外，对于数字电路来说，每个晶体管的每次开断，都是电路逻辑“1 ”和 “o ”的变化。除了降低每次开断的功耗，我们也可以通过减少开断的次数来降 低功耗。从这个方面考虑，在集成电路的设计过程中就有许多手段进行功耗的优 化了。 3 第三章低功耗设计方法 低功耗设计是一个系统的问题，必须在设计的各个层次上发展适当的技术， 综合应用不同的设计策略，达到在降低功耗的同时维持系统性能的目的。 集成电路作为一个产品，从最初的设计开始，到用户手中，都存在降低功耗 的办法。本文主要讨论的s o c 系统的低功耗方法，所以还包含了系统级别的低 功耗设计方法。 3 _ 1 集成电路制造工艺 制造工艺的进步总是晟显著的体现为电路的按比例缩小。电路按比例缩小， 不仅提高了系统的集成度，同时也带来了功耗上的好处，降低了器件电容；系统 集成使得芯片间的通讯量降低，这也使功耗减少。电路的垂直深度因工艺的原因 1 2 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 不能同时按比例缩小。这使引线的侧边电容增大。工艺的进步使得多层金属布线 成为可能。使用上层的金属进行全局互连，可以减小互连电容，从而减小延迟和 功耗。 按比例缩小电源电压对减小功耗非常有效，但要求采用新的制造工艺。同时， 它要求新的支持电路，如电平转换器和d c d c 变换器。还得重新考虑一些细 节如信号的噪声裕度。迄今为止，开启电压在大多数工艺中仍然设得很高， o 7 v 1 ，0 v 。对于5 v 的电路，它的好处是可以降低次开启电压的漏电流。同时， 也能得到较大的噪声裕度。但对于3 3v 或者更低的工作电压，这种高的开启电 压下不利于降低电源电压，减小功耗。已有许多研究工作通过降低开启电压来降 低功耗“ 新型的低功耗器件和计算方案也在研究中，发展了各种“可逆”计算的结果。 例如，在电路的速度要求不高的应用中，可用绝热计算( a d i a b a t i cc o m p 砸n g ) 这样的新的低功耗器件结构7 ，以时间换取功耗的减少。通过加工技术的提高减 小芯片和封装的电容，也能改善功耗性能，如采用s o i 技术”、多芯片模块( m c m ) ”1 这种方法非常有效但很昂贵，其发展是由投资和需求决定的。s o i 技术能减少 寄生电容和体效应从而减小功耗。制造s o i 的工艺技术有多种，如s o s ( s i l i c o n o ns a p p l l i r e ) 、s i m o x ( s e p 删i o nb yi l n p l a m e d0 x y g e n ) 等。 封装技术对芯片的功耗也有巨大的影响，芯片级的i o 功耗大约占整个系 统功耗的1 4 到1 2 ，因此，在多芯片系统中，优先考虑的是减少i o 功耗多芯 片封装( m c m ) 相对于印制电路版( p c b ) 可以大量地减少芯片间通讯的功耗。 3 2 硬件设计 3 2 1用户需求与系统规格 这一阶段是s o c 设计的最开始阶段，这个阶段也是需要做很多乜a d eo f r 的阶 段。当然，目标是使系统的性能达标的同时使功耗降低。下面我们将介绍几种与 功耗密切相关的一些问题和方法。 软硬件划分 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 软硬件划分是从系统功能的抽象描述( 如c 语言) 着手，把系统功能分解 为硬件和软件来实现。对于一个系统功能的任务，可通过在微处理器上运行软件 来实现和通过专用电路实现，比较两者的功耗得出个低功耗的实现方案。软硬 件划分的技术处于设计的起始阶段，为降低功耗带来更太的可能。 存储器优化 存储器是集成系统的重要组成部分，存储器的功耗包括对存储器本身功耗和 微处理器与存储器之间通信的功耗研究包括低功耗存储结构的构造方法，它同时 考虑了各种类型的存储元件( s r a m ，d r a m ，c a c h e ) ，对它们的太小、组织结 构进行优化。 指令集优化 指令级优化包括几个方面：指令集提取，对于确定的处理器，其每条指令的 功耗是一定的，选择一个指令集实现系统功能并功耗最小；选择合理的指令长度 ( 如1 6 位v s 3 2 位或可变长度) ，提高程序的代码密度，以减少对存储器访问的 功耗；指令编码优化是通过对应用程序指令的相关性的统计，对指令进行编码优 化，使读取指令时总线上的信号翻转最少；指令压缩，存储器存储压缩后的指令， 指令将在进入处理器前被解压。 控制数据流图低功耗变换 在高层综合技术中，设计说明( 算法) 通常表达成控制数据流图的形式， 进行优化后映射到特定的硬件上。过去这类技术只考虑系统性能和系统费用的优 化。在此基础上，由一个高层的功耗模型提供功耗的因子( c o s t ) 加入到优化算 法中”“，从而获得低功耗的实现方案。 总线低功耗设计 总线由于电容大、数据传输密度高，形成大量的功耗。总线的低功耗设计包 括：减小总线上信号的电压变化幅度( 通常小于lv ) 对降低具有特大电容总线 的功耗非常有效。它的额外代价是总线和功能模块之间的信号电平的变换电路： s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 对总线进行分段控制救。根据总线和功能模块连接的物理结构，在信号传输对， 隔断总线的无关部分，从而减小总线的实际电容，以达到降低功耗的作用；通过 对总线数据的编码1 ( g r a yc o d e ，i n v e r tc o d e ) ”，使数据在总线上传输时引起的 电平反转减少( 即减小了活动因子) 。 3 2 2 前端设计 前端设计对于s o c 这种数字系统来说主要的工作就是利用硬件描述语言描 述硬件的功能，也就是平时所说的写r t l 代码。这个过程中也有许多技巧可以 降低系统功耗。 门控时钟“1 在s o c 全芯片层次上，通常采用门控时钟技术对送到各个宏单元的时钟网络 进行管理，当予模块进人空闲状态时关断相应的时钟树分支，这样既可以关闭子 模块，还可以消除时钟网络上冗余的电平翻转，当今的s o c 设计中，时钟网络的 功耗是相当可观的。在单个模块的设计层次，各种逻辑级的低功耗技术也经常采 用门控时钟技术来关闭对当前运算不起作用的子电路。 先来看一下如下的h d l 描述： p o s e d g e( c l k ) b e g i n i f( e n = = 1 ) d a t a o u t = d a t a i n e n d 直接对这段代码进行综合将生成图6 所示的电路，这是设计中最常见的一类 寄存器。当e n 信号为0 ，时，d a t a 。u t 保持原来的值不变，但是，随着时钟 信号的翻转，电路中存在冗余的开关动作，消耗额外的功率。对于这种情况可以 在寄存器状态不需要改变时关断它的时钟输入以达到降低功耗的目的，这就是门 控时钟技术的设计思想。插人门控时钟以后的电路如图7 图7 所示。 l5 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 插入门控时钟能够消除冗余的寄存器内部功耗和时钟网络功耗，另外由于原电路 中的多路选择器( m u x ) 被门控时钟逻辑取代，并且通常是个门控时钟逻辑 门控一组寄存器，所以还能够减小芯片的面积。 c 图6 适合门控时钟设计的电路 l 久t c h e n c 图7 插入门控时钟后的电路 使用门控时钟技术，可以降低高达5 0 的功耗。 预计算逻辑 预计算逻辑“1 的基本思想是有选择地对电路输出的逻辑值进行提前一个时 钟的预计算，然后利用预计算的值来减少电路内部的开关活动图8 给出了预计 算逻辑的2 种基本结构。结构l 中，逻辑a 的输入被分为两部分( 分别对应寄 存器r 1 和r 2 ) ，输出送人r 3 ，布尔逻辑g 即预计算逻辑当g = 1 时，r 2 的 输出将保持不变，从而减少逻辑a 内部的活动结构2 中，逻辑a 的输入r 被 全部罨为无效，而输出由g 的值提供。 状态分配 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 有限状态机的状态分配主要研究如何使实现的逻辑面积最小化。在此基础 上，对相关性强的状态分配汉明距离近的状态编码，以减少状态转换引起的电路 活动另外还考虑了相关组合逻辑( 包括引起状态转换的逻辑和产生输出的逻辑) 的因素。 时序优化 f 图8 预计算逻辑结构 在流水线的设计中，通过对寄存器插入位置的调整，可以减少寄存器的数目 和改善延时。由于每个时钟周期寄存器只反转一次，因此在流水线中容易产生毛 刺的地方和有大电容负载的地方插入寄存器，可以起到阻止信号额外跳转的传播 和大电容负载不必要的充放电。 公因子提取 在逻辑综合中，公因子提取和共享是简化逻辑网络、减少实现电路成本的常 用方法。对提取的不同公因子计算其功耗因予，选择功耗最小的来实现电路。图 9 给出的例子中，如果p ( 日) = o 5 ，p ( 6 ) = p ( c ) = o 2 5 ，则尸) 一p ( 6 ) = 1 3 1 2 8 ， 约节省功耗1 0 。 工艺映射 工艺映射“实现把逻辑表达式或布尔网络映射到目标库中的门单元的过程。 在映射过程中，尽量将活动因子大的节点隐藏于门单元的内部，从而减少其电容 s o c 系统功耗管理的研究和开发李欣2 0 4 1 0 1 3 9 负载，降低功耗。 g = d + f ：c g + a b ，= n b + n c + b cf ：n h + b c = 6 + c 口 d c 口6c口6c p ( 4 ) 2 2 e + 2 e + 巨+ t + e ，p ( b ) = e + 2 毛+ 2 巨+ 邑+ b 门尺寸优化 图9 低功耗因子提取 门尺寸优化“的基本思想是对非关键路径的门可缩小尺寸以减小面积和功 耗，从而获得整体优化。先将基于路径的时序约束线性化，再通过解线性方程得 到最优结果。由于使用驱动能力小的单元，电平转换将变慢，引起短路电流增加， 这是门尺寸优化的制约因素。 引脚分配 一般情况下，对于库单元功能相同的引脚，在综合时是等价的。但实际上， 不同引脚的电容、信号延时等参数是不同的州。引脚分配的基本思想就是将活动 因子大的信号结点分配到相对功耗小的引脚上。 3 2 3后端设计 进入后端设计时，电路的结构已经确定了。但是这并不意味着在后端不能进 一步的优化功耗。最主要的是考虑电路中寄生电容的减小，也可以优化电路，减 少操作( 电路的操作) ，选择节能的单元库，修改信号的相关关系，再次综合减 少毛刺的产生概率。 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 实际上，这一部分与使用的工具有关。与软件部分有相同之处，后端综合与 布线同软件的编译差不多。软件编译的结果是产生可执行的机器代码；而r t l 的综合与布线是把r 1 l 代码编译成真实的电路。但是，后端综合与布线优化比 软件编译优化有更好的效果。这是因为一段i 盯l 代码所对应的电路是可以有多 种形式的：同时现在有些编译器会根据设计者提供的波形，智能地修改电路( 前 提是最终电路的效果还是一样的) ，编译器就会进行相关的优化。但是后端综合 的优化与r t l 级代码优化和时钟控制相比，同样的r t l 级与时钟优化所产生的 影响要远大于用编译工具所产生的影响。 另外，集成电路的后端工序还需要考虑功耗分布的因素。s o c 系统的某些部 分可能相比其他模块有高得多的功耗，同时需要释放大量的热量，把这些部分的 电路均匀的分布在芯片上是布局时的重要考虑因素。同时要考虑的因素还有m d r o p 。电源从引脚到芯片的中心时导线上的压降也是不可忽视的，对于电源的精 度要求高的模块应该放置的靠近1 0 的地方。 3 3 软件设计 软件作为实现s o c 功能的不可缺少的环节，在低功耗设计中也是同等重要 的。好的软件不但可以提高系统的性能，同时也可以大幅降低系统的功耗。 3 3 1程序算法优化 c p u 在进行大量复杂运算时，要耗费大量的功率，在编程时，如果采用合 理的算法，避免追求不必要的精度而使算法复杂可以减低功耗。比如在d s p 中， 为了降低成本与减少功耗，在动态范围与精度要求不高时，大都采用定点算法而 不采用编程更为简单的浮点算法。 算法级的操作数、输入输出操作数、基本内存访问次数等是算法的功耗的 度量。减少这些操作的次数是算法或系统设计的任务。其目的也是为了去除不必 要的操作降低功耗。算法级优化系统的方法可分两类：一类加速变换，通过提高 硬件速度，使降低电源电压成为可能；另一类通过算法变换降低实现电路的有效 电容。 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 3 3 2系统功耗管理 避免浪费是系统级低功耗设计的一项重要策略。功耗管理把系统中闲置的部 件关闭，使其转入低功耗的睡眠模式以节省功耗。由于关闭和唤醒需要付出额外 的延时和功耗，只有空闲时间足够长时把它关闭到睡h 民状态才能降低功耗。 传统的功耗管理方法有两种：一种策略是采用t i m e o u t 方法，即空闲等待一 段时间后便关闭；另一种是预测空闲时间长度，然后再根据这个预测决定是关闭 还是继续运行。空闲时间的分布与用户习惯、应用环境、工作频率等有密切的关 系，往往没有任何特定的分布模式。s r i v a s t v a t ae ta 1 “1 分析了在不同系统中的 关闭过程，并提出了一种启发式算法。它首先跟踪x s e r v e r 上的任务分布情况， 并在对此样本进行回归分析的基础上预测下一个空闲时间长度。它的缺点是需要 先离线分析一段样本，因此难以应用于实时管理中h u a n g 和w u ”。提出一种指数 平均算法来预测下一个空闲时间长度，并采用预测误差修正和预唤醒两种机制。 由于突发性事件是影响预测正确率的重要因素，他们的方法没能及时纠正突发事 件后出现的预测偏差，因而可能导致错误的关闭，严重降低了功耗管理的效率。 针对突发性事件对空闲时间长度预测的影响，有人提出一种自适应的功耗管理算 法，对当前空闲时间长度进行预测，并应用t i m e o u t 方法进行修正，以确定是否 进入睡眠模式。在i b m 硬盘功耗管理应用中，实验表明该方法能降低错误关闭 次数，并有效地降低功耗。 当然，功耗管理并不仅仅只有开和关，两种状态。d v s ，d f s 和多电压技术 的出现使得功耗管理有了更丰富的内涵。这些技术也是作者研究实现的内容，将 在下一章中具体介绍。 4 第四章基于d f s 与d v s 的s o c 低功耗设计 d f s 、d v s 与多电压技术是这几年s o c 系统中讨论最多的低功耗方法。这 些方法之所以成为研究的热点，原因是多方面的。 首先，系统的功耗管理在系统的低功耗运行起了相当重要的作用。而仅仅依 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 靠当前的集成电路与s o c 设计方法，并不能使系统功耗管理起到理想的作用。 就如最原始的功耗管理仅仅是在系统空闲( i d l e ) 时将系统挂起，而在用户使用 的中断产生时，将系统唤醒，重新恢复到挂起之前的状态。这种模式远远不能满 足用户的需要。并不是用户在使用时就需要系统所有的资源都在全速工作。通常 对于一个s o c 系统中，周边的模块中通常只是其中的一个子集在工作，甚至大 多数情况就是十几个模块中的两三个模块在工作，可见，此时是多么有必要将其 他不需要工作的模块关闭。而要实现这个，不是单单软件上的修改可以实现的， 需要的是在整个系统的规格进行确定时就需要提出这个问题，并在硬件上支持单 个模块的休眠，或挂起，甚至是低频率的工作。 其次，硬件上的支持是系统功耗管理能够在系统运行时将系统的功耗状态实 时调整的基础。只有硬件上的支持，才能使功耗管理在软件中达到功耗的动态优 化。各种功耗管理软件在系统存在的时候，可以根据具体应用进行算法上的优化。 使同样的电池每次充电的使用时间提高。而这些提高无非是软件在对应用的特点 进行分析之后，根据用户的动态操作，使系统的功耗状态最好的符合用户的实际 操作规律。或是根据系统的实时性要求，对系统的相应时间做出的功耗最佳优化。 而这些方法都是在已经存在的硬件上进行的优化，与硬件相比，具有研究周期短， 见效快，针对性强等特点。相比之下，要在硬件上支持一种新的功耗管理方案却 相当费时，同时需要大量的资金支持才能做到，这也是硬件的动态功耗管理支持 的研发大多是在实力雄厚的企业中产生的原因。但是，这并没有阻挡硬件设计人 员的雄心和热情。硬件的功耗管理支持，虽然耗费相对比较大，但是，成效也是 非常的大。 最后，优秀的功耗管理软件的产生，使各种硬件的功耗管理相互之间取长补 短，使电池供电系统，以及其他嵌入式系统的功耗大大降低。虽然电池技术的提 高无法根据系统功耗的需求一样上升。但是，人们能尽可能的将空闲时的能量节 省下来，所以，现在数字设备的每次充电使用时间还是不断的增长。 s o c 系统功耗管理的研究和开发 李欣2 0 4 1 0 1 3 9 4 1d f s 与d v s 技术 4 1 1d f s 技术原理 动态频率调整技术d y n 锄i cf r e q u e n c ys c a 】i n g ( d f s ) “和动态电压调整 d y n 锄i cv o l t a g es c a l i n g ( d v s ) “是两种最先在个人电脑( p c ) 中使用的 技术。i n t e l 的在p e n t i 啪im o b i l e 中最先使用了它的s p e e d s t c p “1 技术，其实 s p e e d s t e p 技术就动态电压调整和动态频率调整两种技术的结合使用在笔记本电 脑中的应用。这项技术的出现使笔记本电池的使用时间大大提高了。 历史上d f s 技术的出现早于d v s 很多年。我们就从d f s 技术开始介绍。 d f s 从它的全称d y 猢i c f r e q u e n c ys c a l i l l g 就可以看出，是动态的调整系统的运 行平率，也就是时钟( c l o c k ) 来降低系统功耗的办法。 从c m o s 数字电路的动态功耗分析得到的公式： p d = n c l 彖 从式中可以看出，系统的动态功耗与运行的频率，成正比。也就是说，系统 时钟频率越高，那么系统的功耗就会越大。从图1 0 中可以看出，a 系统的频率 比b 系统的两倍，在其他条件相同的情况下，a 系统的动态功耗就是b 系统的 两倍。当然，频率不同的同时带来的是计算能力的差异。b 系统几乎比a 系统 慢一倍。 动态频率调节技术就使你在使用时可以在系统a 和b 之间切换。当你需要 计算能力时，系统时钟就设定在a 状态，是你能够快速的得到你的计算结果。 而当你使用电池工作，希望能得到更长的工作时间，而你所需的计算能力又不是 那么强时，功耗管理系统将会将系统的频率锁定在b 状态。 显然，实际的系统中并不会只提供两个频率之间的切换。通常的系统中都会 提供多级的频率进行选择，大多数系统都支持逐m h z 的调节。这样，整个系统 的频率几乎是连续可调，从而在满足用户计算需要的情况下可以尽可能的节省功 耗。当然，节省功耗的策略和算法种类繁多，各有不同的特点。 s o c 系统功耗