0 引言

    超大規(guī)模數(shù)字集成電路(Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI)設(shè)計中，功耗已成為制約設(shè)計發(fā)展的一個重要因素，特別在集成電路工藝發(fā)展到深亞微米級甚至納米級后，芯片的靜態(tài)功耗占總功耗的比重越來越大^[1-3]?，F(xiàn)在電池供電的產(chǎn)品越來越普遍，比如電動汽車、無人機、移動POS機等。由于電池技術(shù)的發(fā)展速度比電子產(chǎn)品慢，如有效降低功耗，能節(jié)省能量，提高系統(tǒng)待機時間，還能夠延長電池的使用壽命^[4-6]。

    近年來，研究人員在降低功耗的技術(shù)方面取得了很大進展。門控時鐘技術(shù)就是目前最常用的低功耗設(shè)計技術(shù)之一。門控時鐘技術(shù)在降低VLSI的動態(tài)功耗方面有顯著作用，但對降低靜態(tài)功耗基本沒有作用^[7，8]。動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)不同的進程任務(wù)，動態(tài)調(diào)節(jié)工作電壓和頻率，一定程度上降低了系統(tǒng)的動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，但對于不需要工作的模塊，其靜態(tài)功耗還有降低的空間^[9，10]。傳統(tǒng)的電源門控技術(shù)能夠有效降低系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，通過內(nèi)部操作系統(tǒng)或軟件執(zhí)行預(yù)測關(guān)閉或預(yù)測喚醒策略對可控電源域進行主動控制，但不能根據(jù)外部應(yīng)用場景，由外部設(shè)備實時對可控電源域進行控制^[11，12]。文獻[13]提出一種基于串口控制器的外部喚醒方法，但該喚醒方法是喚醒系統(tǒng)的工作時鐘，而不能喚醒指定電源域。

    為降低微控制器（MCU）系統(tǒng)功耗，節(jié)省硬件資源，本文提出了一種支持外部控制的動態(tài)電源管理方法。該方法不僅支持內(nèi)部軟件通過執(zhí)行預(yù)測關(guān)閉和預(yù)測喚醒等策略對MCU系統(tǒng)內(nèi)部可控電源域進行控制，而且還擴展支持外部設(shè)備對MCU系統(tǒng)內(nèi)部可控電源域進行實時控制，及時降低MCU系統(tǒng)功耗。為實現(xiàn)外部設(shè)備對MCU系統(tǒng)內(nèi)部可控電源域的實時控制，設(shè)計集成了通信電路。該通信電路的通信端口與外部喚醒端口共用一個IO端口，節(jié)省了寶貴的硬件資源。

1 多電源域架構(gòu)

    圖1為采用動態(tài)電源管理方法的MCU系統(tǒng)的多電源域示意圖。根據(jù)模塊功能，將MCU系統(tǒng)劃分為若干個電源域。PMU模塊為動態(tài)電源管理模塊，是本文實現(xiàn)動態(tài)電源管理方法的功能模塊，處于常開電源域中。PMU模塊的時鐘來自時鐘產(chǎn)生單元，因此時鐘產(chǎn)生單元需要放在常開電源域中。虛線框內(nèi)為可控電源域，受PMU模塊控制。圖1中，其他外設(shè)放入一個虛線框內(nèi)，不代表其他所有外設(shè)在同一個電源域，這要根據(jù)具體功能需求具體設(shè)計。

2 動態(tài)電源管理方法實現(xiàn)

    根據(jù)CMOS集成電路理論，CMOS電路的系統(tǒng)功耗模型：

式中，P是MCU系統(tǒng)的總功耗；P_dynamic是MCU系統(tǒng)的動態(tài)功耗；P_static是MCU系統(tǒng)的靜態(tài)功耗；C_eff是等效負載電容值；V_dd是工作電壓；f_clock是系統(tǒng)工作頻率； I_static是靜態(tài)電流的總和。

    由式(1)可知，通過減小或關(guān)閉工作電壓可以降低MCU系統(tǒng)的動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。PMU模塊就是根據(jù)MCU系統(tǒng)的實際工作情況對相應(yīng)模塊的電源域進行靈活開啟或關(guān)閉，以降低功耗。圖2為PMU模塊的功能結(jié)構(gòu)圖。PMU模塊主要包括軟件控制電路、通信控制電路和控制執(zhí)行電路。PMU模塊支持軟件配置產(chǎn)生控制指令，同時支持外部設(shè)備產(chǎn)生控制指令；控制執(zhí)行電路根據(jù)接收到的控制指令對指定電源域進行上電或掉電操作。

2.1 軟件配置產(chǎn)生控制指令

    外部端口功能配置為外部觸發(fā)源，指令源選擇單元選擇軟件產(chǎn)生的控制指令。此時，PMU模塊為軟件管理可控電源域的功能，軟件控制電路工作。軟件控制電路的功能主要包括軟件配置產(chǎn)生控制指令、預(yù)測計時、控制指令生效的觸發(fā)源選擇等。

    通過寫控制指令產(chǎn)生寄存器，產(chǎn)生控制指令；在合適的觸發(fā)源觸發(fā)時，控制指令被送入控制執(zhí)行電路。其中，觸發(fā)源包括內(nèi)部立即觸發(fā)源、計時單元觸發(fā)源和外部觸發(fā)源。

    以計時單元作為觸發(fā)源為例。首先配置控制指令產(chǎn)生寄存器，產(chǎn)生控制指令；接著，選擇計時單元作為觸發(fā)源；而后，配置計時單元的計時長度。當計時單元計滿時，產(chǎn)生觸發(fā)源，該觸發(fā)源使得上述產(chǎn)生的控制指令生效，同時控制指令經(jīng)過指令源選擇單元被送入控制執(zhí)行電路。

    此外，內(nèi)部立即觸發(fā)源是由寫立即觸發(fā)寄存器產(chǎn)生觸發(fā)信號；外部觸發(fā)源是由外部設(shè)備產(chǎn)生的觸發(fā)信號。對于三個觸發(fā)源，可以選擇其中一個或幾個作為觸發(fā)源，具體根據(jù)應(yīng)用需求進行配置。

2.2 外部設(shè)備產(chǎn)生控制指令

    外部端口功能配置為通信功能，指令源選擇單元選擇通信電路產(chǎn)生的控制指令。此時，PMU模塊為外部設(shè)備管理可控電源域的功能，通信控制電路工作。通信控制電路的主要功能是接收外部設(shè)備產(chǎn)生的控制指令，并對接收到的指令進行解析。

    該通信控制電路中的指令接收單元采用異步串行通信的方式，這樣只需要一個IO端口就能夠?qū)崿F(xiàn)外部設(shè)備對MCU系統(tǒng)中的可控電源域進行動態(tài)管理，節(jié)省了硬件IO資源。

    指令接收單元通過采用異步串行接收的方式實現(xiàn)，接收外部設(shè)備產(chǎn)生的控制指令，并將接收到的控制指令送入指令解析單元。指令解析單元對接收的控制指令進行解析，產(chǎn)生控制執(zhí)行電路能夠識別的有效控制指令。

    當應(yīng)用場景不需要外部設(shè)備進行控制時，關(guān)閉通信控制電路的工作時鐘，以降低該部分電路的功耗。為保證外部設(shè)備對MCU系統(tǒng)內(nèi)部可控電源域控制的安全性，在指令解析階段屏蔽掉不允許受外部設(shè)備控制的可控電源域。

    假定MCU系統(tǒng)中可控電源域個數(shù)為n，外部設(shè)備能夠控制的可控電源域個數(shù)為m(m≤n)，則外部設(shè)備與PMU模塊中的通信電路之間通信的幀格式如圖3所示。

2.3 控制執(zhí)行電路的實現(xiàn)

    控制執(zhí)行電路的主要功能是接收經(jīng)指令源選擇后的控制指令，并根據(jù)該控制指令對相應(yīng)的可控電源域進行動態(tài)管理。

    對電源域的電源網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)管理需要嚴格的時序控制順序，一般采用硬件有限狀態(tài)機（FSM）實現(xiàn)^[14]。圖4給出可控電源域掉電和上電的時序圖，該圖中信號的時序由硬件FSM實現(xiàn)。為確?？煽仉娫从虻綦姾蜕想姷陌踩裕黾恿耸鼓苄盘杄na_pg。只有該信號高有效時，才能夠?qū)煽仉娫从蜻M行管理。

    一幀控制指令數(shù)據(jù)中，1 bit對應(yīng)一個可控電源域，“1”表示喚醒，“0”表示關(guān)閉。當控制執(zhí)行電路接收到的控制指令中的某個bit為“0”，且對應(yīng)電源域為上電狀態(tài)時，F(xiàn)SM產(chǎn)生sleep信號，隨后進入掉電時序過程。掉電過程中，先對電源域之間的信號隔離；待確保隔離后，對該電源域的工作時鐘進行門控；隨后，保存必要寄存器的狀態(tài)；最后關(guān)閉該電源域的供電?？煽仉娫从虻墓╇婈P(guān)閉后，功耗隨之降低。控制指令中的某個bit為“1”，且對應(yīng)電源域?qū)Φ綦姞顟B(tài)時，F(xiàn)SM產(chǎn)生wakeup信號，隨后進入上電時序過程?？煽仉娫从蛏想娺^程是掉電過程的逆過程。

    該控制執(zhí)行電路以獨立FSM的方式對各個可控電源域進行管理，即每個FSM專門管理一個指定的可控電源域。

3 仿真結(jié)果及分析

    本文用Synopsys公司的Prime Time PX工具對該動態(tài)管理方法對降低功耗的效果進行驗證，并與傳統(tǒng)的門控時鐘方法進行比較。采用驅(qū)動電機的通用MCU作為降低功耗的對象，該通用MCU以布局布線后的網(wǎng)表形式進行功耗仿真。仿真時，采用0.13 μm的TSMC工藝庫，工作電壓為1.5 V，MCU的工作時鐘頻率為10 MHz。

    仿真中，PMU模塊執(zhí)行外部設(shè)備管理可控電源域的功能。在驅(qū)動電機的工作過程中，MCU的脈寬調(diào)制模塊（PWM）產(chǎn)生脈寬可調(diào)制的波形，用于驅(qū)動電機；電機狀態(tài)檢測及反饋單元通過串口（UART）將需要對電機進行調(diào)整的命令發(fā)送給MCU，MCU根據(jù)接收到的調(diào)整命令對PWM模塊產(chǎn)生的波形進行修正，以達到對電機的完美驅(qū)動。當電機需要切開工作狀態(tài)時，電機狀態(tài)監(jiān)測及反饋單元產(chǎn)生控制指令，發(fā)送給PMU。基于MCU驅(qū)動電機的方案原理圖如圖5所示。在該方案中，PMU能夠控制的電源域包括UART、PWM、CPU和存儲單元所在的電源域。為排除其他單元的影響，以下分析只考慮該MCU系統(tǒng)中PMU、PWM、UART、CPU和存儲單元。

    外部設(shè)備通過PMU模塊中的通信控制電路實現(xiàn)對內(nèi)部指定電源域的控制。該通信過程影響著MCU系統(tǒng)的響應(yīng)時間。在上述方案中，外部可控制的電源域共4個，因此，通信的指令幀格式設(shè)定為7 bit。不同工作頻率下，系統(tǒng)響應(yīng)時間見圖6。PMU模塊的功耗與其工作時鐘頻率密切相關(guān)，圖6中同時給出PMU模塊通信時的功耗與工作頻率的關(guān)系。

    根據(jù)降低功耗的原則，通常選擇降低工作頻率，以降低PMU模塊的功耗。但降低PMU模塊的工作頻率，會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間增加。在上述方案中，PMU模塊的工作時鐘配置為500 kHz，響應(yīng)時間為216 μs，工作時的功耗為4.06 μW。

    考慮以下三種工作情況：PWM調(diào)節(jié)過程、PWM穩(wěn)定工作和待機。在PWM調(diào)節(jié)過程階段，外部設(shè)備通過UART與MCU系統(tǒng)通信，對PWM進行調(diào)節(jié)，PWM、UART、CPU和存儲單元均在工作；在PWM穩(wěn)定工作階段，電機工作在穩(wěn)定狀態(tài)，UART、CPU和存儲單元所在電源域被關(guān)閉，只有PWM模塊在工作；在待機狀態(tài)時，UART、CPU、存儲單元和PWM所在電源域均被關(guān)閉。

    表1給出采用傳統(tǒng)門控時鐘方法和動態(tài)電源管理方法的MCU系統(tǒng)在不同工作情況下的總功耗。傳統(tǒng)的門控時鐘方法在PWM調(diào)節(jié)過程中，開啟PWM、UART、CPU和存儲單元的工作時鐘；在PWM穩(wěn)定工作時，保持PWM工作時鐘開啟，關(guān)閉其他模塊的工作時鐘；在待機狀態(tài)時，關(guān)閉所有模塊的工作時鐘。其中，PMU模塊的工作時鐘始終開啟。

    由表1可知，在PWM調(diào)節(jié)過程中，兩種低功耗方法對系統(tǒng)總功耗的降低沒有貢獻。在PWM穩(wěn)定工作時，采用傳統(tǒng)門控時鐘方法，系統(tǒng)總功耗降低了6.22%；而采用動態(tài)功耗管理方法，系統(tǒng)總功耗降低了6.50%。在待機時，采用傳統(tǒng)門控時鐘方法，系統(tǒng)總功耗降低了97.72%；而采用動態(tài)功耗管理方法，系統(tǒng)總功耗降低了99.98%。

    表2給出采用傳統(tǒng)門控時鐘方法和動態(tài)電源管理方法的MCU系統(tǒng)在不同工作情況下的總靜態(tài)功耗。

    由表2可知，在PWM調(diào)節(jié)過程中，兩種低功耗方法在一定程度上增大了系統(tǒng)總靜態(tài)功耗，增加比例分別為：2.78%和5.96%。這是由于兩種方法均增加了邏輯門。在PWM穩(wěn)定工作時，采用傳統(tǒng)門控時鐘方法，系統(tǒng)總靜態(tài)功耗降低了0.06%；而采用動態(tài)功耗管理方法，系統(tǒng)總靜態(tài)功耗降低了27.43%。在待機時，采用傳統(tǒng)門控時鐘方法，系統(tǒng)總靜態(tài)功耗降低了2.24%；而采用動態(tài)功耗管理方法，系統(tǒng)總靜態(tài)功耗降低了98.18%。

    由以上分析可知，與傳統(tǒng)的門控時鐘方法相比，本文提出的動態(tài)電源管理方法在降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗方面有顯著作用。

4 結(jié)論

    提出了一種支持外部控制的動態(tài)電源管理方法。該動態(tài)電源管理方法支持內(nèi)部軟件控制MCU系統(tǒng)內(nèi)部電源域，同時支持外部設(shè)備對MCU系統(tǒng)內(nèi)部電源域的控制。外部設(shè)備能夠根據(jù)實際應(yīng)用場景，實時對MCU系統(tǒng)內(nèi)部指定電源域進行動態(tài)管理，在降低靜態(tài)功耗方面具有靈活性和高效性。與外部進行通信的端口與外部觸發(fā)源端口共用一個IO端口，沒有增加硬件IO資源消耗，節(jié)省了寶貴的硬件IO資源。隨著MCU系統(tǒng)功能復(fù)雜度的增加，對MCU系統(tǒng)進行多電源域劃分，并能夠根據(jù)外部應(yīng)用場景實時對相應(yīng)電源域進行上電或斷電操作，在降低系統(tǒng)功耗方面將會發(fā)揮重大作用。

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作者信息:

宋云雷1，劉興輝1，閻  斌2，金傳恩2

（1.遼寧大學 物理學院，遼寧 沈陽110036；2.合肥科盛微電子科技有限公司，安徽 合肥230088）