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低功耗单片机系统的设计策略
在嵌入式应用中，系统的功耗越来越受到人们的重视，这一点对于需要电池供电的便携式系统尤其明显。降低系统功耗，延长电池的寿命，就是降低系统的运行成本。
　　等待模式下，CPU停止工作，但系统时钟并不停止，单片机的外围I/O模块也不停止工作；系统功耗一般降低有限，相当于工作模式的50%～70%。　　停止模式下，系统时钟也将停止，由外部事件中断重新启动时钟系统时钟，进而唤醒CPU继续工作，CPU消耗电流可降到&A级。在停止模式下，CPU本身实际上已经不消耗什么电流，要想进一步减小系统功耗，就要尽量将单片机的各个I/O模块关掉。随着I/O模块的逐个关闭，系统的功耗越来越小，进入停止模式的深度也越来越深。进入深度停止模式无异于关机，这时的单片机耗电可以小于20nA。其中特别要提示的是，片内RAM停止供电后，RAM中存储的数据会丢失，也就是说，唤醒CPU后要重新对系统作初始化。因此在让系统进入深度停止状态前，要将重要系统参数保存在非易失性存储器中，如EEPROM中。深度停止模式关掉了所有的I/O，可能的唤醒方式也很有限，一般只能是复位或IRQ中断等。　　保留的I/O模块越多，系统允许的唤醒中断源也就越多。单片机的功耗将根据保留唤醒方式的不同，降至1&A至几十&A之间。例如，用户可以保留外部键盘中断，保留异步串行口（SCI）接收数据中断等来唤醒CPU。保留的唤醒方式越多，系统耗电也就会多一些。其他可能的唤醒方式还有实时钟唤醒、看门狗唤醒等。停机状态较浅的情况下，外部晶振电路还是工作的。　　以R系列单片机为例：在室温（25℃）下，不包括I/O口的负载，以2V供电，将可编程锁相环时钟设为16MHz（总线时钟8MHz），典型电流值为2.6mA，当温度升高到85℃时，供电电流也升高到3.6mA；而采用3V供电，这一组数据升高至3.8mA和4.8mA。用2V供电，直接使用外部晶振2MHz（总线时钟1MHz）时，典型运行电流降至450&A。在等待状态下，因时钟并没有停止，耗电情况和时钟频率有很大关系，节省的功耗有限；而进入轻度停止（stop3），以外部中断唤醒，电流消耗在0.5&A左右。在中度停止态（stop2），功耗可进一步降低。使用内部1kHz的时钟，保持1个运行的时钟，周期性唤醒CPU，所增加的电流约为0.3&A。在深度停止态（stop1），RAM的数据也不再保留，只能通过外部复位重启系统，此时的电流消耗可降到20nA。以上数据都是在室温下测量所得。当环境温度升高到85℃时，电流消耗可能增加3～5倍。　　4.选择合适的时钟方案　　时钟的选择对于系统功耗相当敏感，设计者需要注意两个方面的问题：　　第一是系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗可分为两部分&&运行电流和漏电流。理想的CMOS开关电路，在保持输出状态不变时，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器电路，当输入端为零时，输出端为1，P晶体管导通，N晶体管截止，没有电流流过。而实际上，由于N晶体管存在一定漏电流，且随集成度提高，管基越薄，漏电流会加大。温度升高，CMOS翻转阈电压会降低，而漏电流则随环境温度的增高变大。在单片机运行时，开关电路不断由&1&变&0&、由&0&变&1&，消耗的功率是由单片机运行引起的，我们称之为&运行电流&。在两只晶体管互相变换导通、截止状态时，由于两只管子的开关延迟时间不可能完全一致，在某一瞬间会有两只管子同时导通的情况，此时电源到地之间会有一个瞬间较大的电流，这是单片机运行电流的主要来源。可以看出，运行电流几乎是和单片机的时钟频率成正比的，因此尽量降低系统时钟的运行频率可以有效地降低系统功耗。
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一种低功耗系统芯片的实现流程
摘要：随着半导体工艺技术的进步，系统芯片的集成度越来越高，功耗成为重点考虑的因素之一，尤其用于便携式设备中。本文描述了一种多电源、多电压低功耗系统芯片的实现流程。该流程基于IEEE1801(UPF)标准，采用Synopsys和MentorGraphics公司的EDA工具，方便地实现了RTL-GDSII的整个过程。关键词：低功耗；可测性设计；多电源多电压；电源关断0引言随着CMOS半导体工艺的进步，集成电路进入系统芯片(SystemonChip，SoC)设计时代，极
摘要：随着半导体工艺技术的进步，系统芯片的集成度越来越高，功耗成为重点考虑的因素之一，尤其用于便携式设备中。本文描述了一种多电源、多电压低功耗系统芯片的实现流程。该流程基于IEEE1801(UPF)标准，采用Synopsys和MentorGraphics公司的EDA工具，方便地实现了RTL-GDSII的整个过程。关键词：低功耗；可测性设计；多电源多电压；电源关断0 引言&&& 随着CMOS半导体工艺的进步，集成电路进入系统芯片(System on Chip，SoC)设计时代，极大地提高了集成度和时钟频率，导致芯片的功耗急剧增加。功耗成为集成电路设计中除面积和时序之外的又一个重要因素，因此低功耗设计成为学术界和产业界关注的焦点。低功耗技术的引入，给芯片的设计和实现提出了新的挑战。这些挑战包括电压域的划分、EDA工具之间数据的交换和管理等。本文基于IEEEl801标准Uni-fied Power Format(UPF)，采用Synopsys和Mentor Graphics的EDA工具实现了包括可测性设计在内的&从RTL到GDSII&的完整低功耗流程设计。本论文第1部分描述了低功耗技术和术语。第2部分描述了本文设计的系统芯片的情况。第3部分描述了整个设计的流程和采用的EDA工具。第4部分为总结。1 低功耗技术&&& 数字CMOS电路的功耗主要有三个来源，分别是开关功耗Pswitching、短路功耗Pshort-circuit和泄漏功耗Pleakage，分为动态功耗(Psw& itching+Pshort-circuit)和静态功耗(Pleakage)两大类，如式(1)所示。&&&&&&& 其中，&是开关活动因子，CL是有效电容，VDD是工作电压，fclk是时钟频率，ISC是平均短路电流，Ileak是平均漏电流。目前提出了各种降低功耗的方法，主流的技术有门控时钟(Clock-Gating)、多阈值电压(Multi-threshold)，先进的技术包括多电压(Mulit-Voltage，MV)电源关断(MTCMOS Pwr Gating)、多电压和带状态保持功能的电源关断(MV&Pwr Gating with State Retention)、低电压待机(Low-VDD Stan-dby)、动态或自适应电压和频率调整(Dynamic or Adaptive Voltage&Frequency Scaling,DVS、DVFS、AVS、AVFS)、阱偏置(Well Biasing，VTCMOS)等。为了实现这些技术，需要在设计的时候划分电压域(Power Domain,PD)，组成不同的工作模式(Power Mode,PM)和加入特殊器件，比如电源关断器件(Power Switches)、电平转换器件(Level Shifter，LS)、隔离器件(Isolation Cell)和状态保持器件(State Ret-ention Cell)等。在本文的芯片设计中采用了门控时钟、多电压和电源关断技术。2 本次设计的概括&&& 本文的芯片设计如图1所示，有4万个寄存器、20万逻辑门，共分七个电压域，PD TOP(顶层)、PD1、PD2、PD3、PD4、PD5和PD6，其中PD6工作在1．2V，其余的工作在1．8V。在正常工作模式下有三种电压模式，分别为PM1(PD1关断，其余开启)、PM2(PD TOP和PD1开启，其余关断)和PM3(PD TOP开启，其余关断)。电源关断器件和隔离器件的使能信号(ps en和iso en)由处于常开区PD TOP的功耗模式控制器(PMC)产生。
摘要：随着半导体工艺技术的进步，系统芯片的集成度越来越高，功耗成为重点考虑的因素之一，尤其用于便携式设备中。本文描述了一种多电源、多电压低功耗系统芯片的实现流程。该流程基于IEEE1801(UPF)标准，采用Synopsys和MentorGraphics公司的EDA工具，方便地实现了RTL-GDSII的整个过程。关键词：低功耗；可测性设计；多电源多电压；电源关断0 引言&&& 随着CMOS半导体工艺的进步，集成电路进入系统芯片(System on Chip，SoC)设计时代，极大地提高了集成度和时钟频率，导致芯片的功耗急剧增加。功耗成为集成电路设计中除面积和时序之外的又一个重要因素，因此低功耗设计成为学术界和产业界关注的焦点。低功耗技术的引入，给芯片的设计和实现提出了新的挑战。这些挑战包括电压域的划分、EDA工具之间数据的交换和管理等。本文基于IEEEl801标准Uni-fied Power Format(UPF)，采用Synopsys和Mentor Graphics的EDA工具实现了包括可测性设计在内的&从RTL到GDSII&的完整低功耗流程设计。本论文第1部分描述了低功耗技术和术语。第2部分描述了本文设计的系统芯片的情况。第3部分描述了整个设计的流程和采用的EDA工具。第4部分为总结。1 低功耗技术&&& 数字CMOS电路的功耗主要有三个来源，分别是开关功耗Pswitching、短路功耗Pshort-circuit和泄漏功耗Pleakage，分为动态功耗(Psw& itching+Pshort-circuit)和静态功耗(Pleakage)两大类，如式(1)所示。&&&&&&& 其中，&是开关活动因子，CL是有效电容，VDD是工作电压，fclk是时钟频率，ISC是平均短路电流，Ileak是平均漏电流。目前提出了各种降低功耗的方法，主流的技术有门控时钟(Clock-Gating)、多阈值电压(Multi-threshold)，先进的技术包括多电压(Mulit-Voltage，MV)电源关断(MTCMOS Pwr Gating)、多电压和带状态保持功能的电源关断(MV&Pwr Gating with State Retention)、低电压待机(Low-VDD Stan-dby)、动态或自适应电压和频率调整(Dynamic or Adaptive Voltage&Frequency Scaling,DVS、DVFS、AVS、AVFS)、阱偏置(Well Biasing，VTCMOS)等。为了实现这些技术，需要在设计的时候划分电压域(Power Domain,PD)，组成不同的工作模式(Power Mode,PM)和加入特殊器件，比如电源关断器件(Power Switches)、电平转换器件(Level Shifter，LS)、隔离器件(Isolation Cell)和状态保持器件(State Ret-ention Cell)等。在本文的芯片设计中采用了门控时钟、多电压和电源关断技术。2 本次设计的概括&&& 本文的芯片设计如图1所示，有4万个寄存器、20万逻辑门，共分七个电压域，PD TOP(顶层)、PD1、PD2、PD3、PD4、PD5和PD6，其中PD6工作在1．2V，其余的工作在1．8V。在正常工作模式下有三种电压模式，分别为PM1(PD1关断，其余开启)、PM2(PD TOP和PD1开启，其余关断)和PM3(PD TOP开启，其余关断)。电源关断器件和隔离器件的使能信号(ps en和iso en)由处于常开区PD TOP的功耗模式控制器(PMC)产生。
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