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動(dòng)態(tài)時(shí)鐘配置下的SoC低功耗管理
摘要：隨著芯片集成度的提高，對(duì)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(lái)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(guò)動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘的策略，達(dá)到降低整個(gè)SoC芯片功耗的目的；同時(shí)，分析動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘方案中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題，并給出解決方案。引 言
??隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品——特別是便攜式（移動(dòng)）面向客戶(hù)的電子產(chǎn)品的需求，推動(dòng)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(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的SoC芯片，已不能再只考慮它優(yōu)化空間的兩個(gè)方面——速度（performance）和面積（cost），而必須要注意它已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)的且變得越來(lái)越重要的第三個(gè)方面——功耗[1]，這樣才能延長(zhǎng)電池的壽命和電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)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(dòng)態(tài)功耗，主要是由電路中信號(hào)變換時(shí)造成的瞬態(tài)開(kāi)路電流（crowbar current）和負(fù)載電流（load current）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要來(lái)源[3]。
因此，解決好SoC中的動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)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(dòng)態(tài)功耗。
如何降低SoC中的功耗，從不同的層面分析會(huì)得出不同的解決方案。從芯片的系統(tǒng)級(jí)（architecture）角度考慮，有低功耗總線(xiàn)設(shè)計(jì)、低功耗存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低功耗時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的休息模式、時(shí)鐘門(mén)控等技術(shù)；從芯片的行為級(jí)（RTL）角度考慮，有信號(hào)門(mén)控、預(yù)前計(jì)算、操作數(shù)分離、狀態(tài)機(jī)優(yōu)化、并行和流水結(jié)構(gòu)等技術(shù)；從芯片的門(mén)級(jí)（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(wèn)題，芯片功耗優(yōu)化的幅度就越顯著。
本文所提出的基于動(dòng)態(tài)配置時(shí)鐘的SoC低功耗管理是從芯片的系統(tǒng)級(jí)角度考慮的。在最后的實(shí)驗(yàn)中，它非常明顯地降低了整個(gè)芯片的功耗。
1 動(dòng)態(tài)配置時(shí)鐘的SoC低功耗管理原理
基于微處理器應(yīng)用的SoC設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)管理SoC系統(tǒng)時(shí)鐘的思想就是：不僅動(dòng)態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時(shí)鐘源供給，還可以動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。
動(dòng)態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時(shí)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(jiǎn)而言之，就是進(jìn)行內(nèi)部模塊的開(kāi)和關(guān)的操作。關(guān)閉單個(gè)模塊，可以通過(guò)對(duì)每個(gè)模塊設(shè)置一個(gè)使能位，然后對(duì)這個(gè)使能位編程做到關(guān)閉或打開(kāi)那個(gè)模塊。但這樣做不是最佳的，原因有二：其一，每個(gè)模塊的接口部分必須是始終打開(kāi)的，否則，CPU核無(wú)法隨時(shí)對(duì)它的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程；其二，通過(guò)模塊使能位只是關(guān)閉了它的功能操作，而并沒(méi)有把它模塊內(nèi)的時(shí)鐘樹(shù)關(guān)閉掉，也就是說(shuō)它里面的時(shí)鐘樹(shù)依然處于激活狀態(tài)，而時(shí)鐘樹(shù)所造成的功耗占單個(gè)模塊功耗的很大一部分。其實(shí)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(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍下進(jìn)行的[5]，關(guān)閉時(shí)鐘源能同時(shí)達(dá)到關(guān)閉模塊和降低功耗的目的。
動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率則是以不犧牲系統(tǒng)的性能為前提，動(dòng)態(tài)地管理系統(tǒng)的工作頻率來(lái)降低SoC的功耗。時(shí)鐘頻率是影響動(dòng)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(shí)候，所有的模塊并不是工作在同一時(shí)鐘頻率，或者同一個(gè)模塊在不同的時(shí)段可以工作在不同的時(shí)鐘頻率。這些就是動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的前提。
圖1是整個(gè)SoC中的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)（時(shí)鐘樹(shù)）。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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置時(shí)鐘的SoC低功耗管理策略，芯片在其工作中開(kāi)發(fā)出了其低功耗管理機(jī)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(lái)說(shuō)明它的工作機(jī)制。
表1為四種工作模式的狀態(tài)。
表1
(1)Slow模式
當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位以后或當(dāng)系統(tǒng)關(guān)掉PLL不需要高速時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入到Slow模式。在Slow模式下，系統(tǒng)中的CPU核和所有模塊的時(shí)鐘源都來(lái)自晶振。如果這時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為有必要關(guān)掉某些模塊，那么,就可以通過(guò)配置功耗管理模塊內(nèi)部的寄存器，把相應(yīng)模塊的時(shí)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(shí)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(shí)鐘源都來(lái)自PLL。當(dāng)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(shí)鐘的頻率，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)配置PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是在動(dòng)態(tài)配置PLL過(guò)程中，要注意這樣一個(gè)問(wèn)題：因?yàn)镻LL有一個(gè)時(shí)鐘鎖定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，它輸出的時(shí)鐘波形是不規(guī)則的，此時(shí)不能使用它作為芯片的時(shí)鐘源。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可以暫時(shí)把系統(tǒng)的時(shí)鐘源切換到晶振狀態(tài)，待PLL的時(shí)鐘輸出穩(wěn)定以后再把系統(tǒng)的時(shí)鐘源切換到PLL狀態(tài)。
(3)Idle模式
如果CPU核在當(dāng)前狀態(tài)下已經(jīng)處理完所有任務(wù)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將處于空閑狀態(tài)，那么系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)入到Idle模式。在Idle模式下，只會(huì)
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