莫東杰

（廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006）

隨著半導體行業(yè)的快速發(fā)展，消費電子和無線設(shè)備的盛行，集成電路的制造和工藝的進步，芯片的體積越來越小的同時其規(guī)模和復雜程度也越來越大，對于芯片的性能和功耗的要求也越來越苛刻， 特別是近年來被廣泛應(yīng)用的移動電子設(shè)備對電池續(xù)航的依賴越來越大，設(shè)計人員必須重點關(guān)注產(chǎn)品的續(xù)航能力。因此，在集成電路芯片設(shè)計領(lǐng)域中，低功耗設(shè)計是最受人們關(guān)注的領(lǐng)域之一。

為了降低微控制器的功耗，本文提出并實現(xiàn)了一種低功耗時鐘管理技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)微控制器中處理器核的運行狀態(tài)的變化，實現(xiàn)工作模式的切換和時鐘狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在保證一定的工作效率的條件下降低了功耗。該技術(shù)成功應(yīng)用于微控制器仿真驗證平臺，功耗仿真驗證結(jié)果表明，該技術(shù)能有效的降低微控制器的功耗，有一定的實際意義。

1 動態(tài)時鐘控制管理原理

在數(shù)字集成電路中，功耗主要來自以下三個方面：

式（1）中，表示對CMOS電路中電容充放電所消耗的開關(guān)功耗，和分別代表短路功耗和漏電功耗。

其中，開關(guān)功耗可以近似表示為：

式（2）中是信號變化翻轉(zhuǎn)率的活動因子，CL表示節(jié)點電容，為工作電壓，是時鐘頻率。

由式（2）可以明顯看出，降低工作電壓就能有效的減少開關(guān)功耗，但由于工作電壓跟電路的性能關(guān)，降低工作電壓會損害到性能，同時芯片中的降壓電路實現(xiàn)困難，所以降壓并不是減小動態(tài)功耗的首選；而活動因子一般與系統(tǒng)的實際運行程序有關(guān)，操作困難；節(jié)點電容則是由制造實現(xiàn)的工藝所決定，所以本文主要考慮通過時鐘優(yōu)化來降低功耗，著重在對系統(tǒng)時鐘的開關(guān)、工作狀態(tài)以及頻率的管理上。本文中的低功耗動態(tài)時鐘管理技術(shù)主要包括門控時鐘和多模式切換，通過這兩項技術(shù)，能有效的對系統(tǒng)的時鐘進行管理，降低系統(tǒng)的功耗。

1.1 門控時鐘

門控時鐘是寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計技術(shù)，就是當系統(tǒng)某一部分處于空閑狀態(tài)時關(guān)閉其時鐘從而消除時鐘驅(qū)動的功耗。門控時鐘作用范圍越大，功耗優(yōu)化的效果就越明顯。門控時鐘有兩種實現(xiàn)形式：基于鎖存器的門控時鐘和基于兩輸入與門的門控時鐘，前者較穩(wěn)定不易出現(xiàn)毛刺，但會在設(shè)計中引入鎖存器，而后者容易導致時鐘的毛刺，但面積小。在一般的情況下，門控時鐘的選擇和運用可以通過電子設(shè)計自動化（EDA）軟件工具實現(xiàn)，也可以手工在在寄存器轉(zhuǎn)換級電路（RTL）代碼內(nèi)插入；通常會一些模塊級或系統(tǒng)級的門控時鐘是通過手工插入基于鎖存器的門控時鐘的，而其他寄存器的門控時鐘則是通過EDA軟件自動插入的。

1.2 多模式切換

在微控制器執(zhí)行任務(wù)時，不可能一直處在工作狀態(tài)，系統(tǒng)總會有空閑的時候，這時候就要對時鐘進行有效的管理，避免不必要的功耗。通過對時鐘的管理來把系統(tǒng)分為5種工作模式：NORMAL、IDLE、WAIT、STOP和SLEEP。在NORMAL模式下，主系統(tǒng)時鐘（MCLK）、子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）均由片外高頻時鐘發(fā)生器（DCO）提供，輔助系統(tǒng)時鐘（ACLK）由外接高頻晶振（HFXT）或低頻晶振（LFXT）提供；在IDLE模式時，MCLK停止工作，SMCLK由DCO提供，ACLK由外接LFXT提供；在WAIT模式時，MCLK停止工作，SMCLK和ACLK均由LFXT提供；STOP模式下，MCLK和SMCLK停止工作，僅有ACLK由LFXT提供；SLEPP模式下所有時鐘停止工作。

2 動態(tài)時鐘控制模塊設(shè)計

DCMM主要由DCO，高低頻晶振接口，時鐘源選擇器、時鐘分頻器和模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機以及時鐘輸出門控電路組成。首先DCMM的寄存器組通過配置模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機決定輸出時鐘的工作狀態(tài)，模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機的輸出就會驅(qū)動時鐘源選擇器適當?shù)倪x擇各時鐘來源，然后選出的時鐘經(jīng)過獨立的時鐘分頻器進行分頻處理（可配置1:1,1:2,1:4,1:8,1:16分頻）；最后，時鐘輸出門控電路是各個子模塊的時鐘的總開關(guān)，當微控制器內(nèi)的某一個子模塊不需要工作時可以暫時切斷時鐘，減少不必要的功耗。系統(tǒng)復位的同時，DCMM寄存器就會開始初始化默認配置，配置完成后就可以讓DCMM自主開始工作。同時，工作過程中也可以通過寄存器接口對相關(guān)寄存器的配置進行改動來實現(xiàn)各種工作模式和時鐘頻率。

3 動態(tài)時鐘控制模塊實現(xiàn)及驗證結(jié)果

3.1 驗證平臺和驗證流程

圖1 基于openMSP430的微控制器仿真驗證平臺

本設(shè)計采用基于openMSP430嵌入式微處理器的微控制器平臺進行仿真驗證。如圖1。它是由待測設(shè)計（DUT），也就是本設(shè)計中的DCMM，和其他輔助模塊所組成的。由于DCMM是微控制器中的一個外設(shè)模塊，它主要由嵌入式處理器驅(qū)動的，所以對DCMM的測試激勵主要由嵌入式處理器控制。當完成測試激勵的編寫后，要先通過MSPGCC編譯器進行編譯并寫入程序存儲器，然后啟動VCS仿真軟件使測試平臺對微控制器進行初始化并開始執(zhí)行程序，這時測試激勵向量就會由處理器加載到DCMM中開始仿真驗證，當程序執(zhí)行完后，就會輸出仿真波形和工作報告等測試結(jié)果文件。

3.2 驗證結(jié)果

驗證結(jié)果表明，微控制器在NORMAL、IDLE、WAIT、STOP和SLEEP五種不同的工作模式進行切換，其對應(yīng)功耗和輸出時鐘如圖2。在NORMAL模式下，微控制器正常工作，時鐘頻率達到最大，實時的功耗也最大；關(guān)閉MCLK，則微控制器進入IDLE模式，動態(tài)功耗大幅降低，此時SMCLK仍由DCO提供；當把SMCLK切換到LFXT時，系統(tǒng)會進入WAIT模式，此時系統(tǒng)時鐘主要由LXFT供給，功耗有進一步的降低；關(guān)閉MCLK和SMCLK，僅留下ACLK為部分模塊提供時鐘來保證其運行，處理器進入STOP模式，功耗又有小幅降低；當所有時鐘停止工作，系統(tǒng)進入SLEEP模式，這時功耗最低，幾乎為零。

圖2 仿真工作模式波形結(jié)果

在對微控制器驗證平臺仿真不同的任務(wù)程序時，我們利用功耗分析估計的方法統(tǒng)計比較了原始設(shè)計和加入動態(tài)時鐘管理技術(shù)時的面積和功耗情況如表1，結(jié)果表明，加入動態(tài)時鐘管理技術(shù)的設(shè)計在面積增大3.2%的情況下，對功耗的優(yōu)化最多能達到15.6%，效果較為顯著。由此可見，該技術(shù)能有效的降低微控制器的功耗。

表1 仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計實現(xiàn)了一種應(yīng)用于微控制器的低功耗時鐘管理技術(shù)。該技術(shù)包括門控時鐘和多種工作模式切換。該技術(shù)主要在硬件上實現(xiàn)了對微控制器時鐘進行管理，讓系統(tǒng)處于適當?shù)墓哪Ｊ较拢M可能的減少動態(tài)功耗?；趏penMSP430嵌入式處理器的微控制器仿真驗證平臺的實驗結(jié)果表明，引入動態(tài)時鐘管理單元的嵌入式微控制器能在一定程度上降低功耗，具有一定的應(yīng)用意義。

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