一種時鐘與功耗管理控制器的硬件實現(xiàn)

摘   要：本文闡述了一種芯片時鐘與功耗管理控制器的工作原理，進(jìn)行了模塊劃分，采用硬件描述語言實現(xiàn)了設(shè)計，并利用Synopsys公司的EDA工具進(jìn)行了仿真和綜合。該控制器已成功應(yīng)用于東南大學(xué)ASIC中心研制的嵌入式處理器芯片Garfield4Plus中，并通過了實際的流片和測試。

關(guān)鍵詞：功耗管理；無毛刺切換；時鐘控制

引言

在SoC芯片設(shè)計中，功耗是微處理器芯片是否成功的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。同時，作為一個龐大的數(shù)字電路系統(tǒng)，處理器芯片的時鐘架構(gòu)及其控制也將變得尤為重要，將直接影響到芯片的功耗?；谝陨峡紤]，整個芯片的時鐘和功耗必須得到統(tǒng)一的管理和控制。包括核與總線在內(nèi)的各功能模塊的時鐘應(yīng)當(dāng)能夠跟據(jù)具體工作需要自由開關(guān)，以保證芯片盡可能地減小功耗。因此，處理器中需要一個專門的時鐘與功耗管理控制器(以下統(tǒng)稱PMC)來實現(xiàn)這些功能。PMC控制著整個芯片的工作模式和系統(tǒng)時鐘頻率，其穩(wěn)定和完善將影響整個芯片的性能。

本文通過對PMC工作原理的分析確定了設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了具體的模塊劃分，使用基于硬件描述語言的邏輯綜合方式進(jìn)行了設(shè)計實現(xiàn)，并成功應(yīng)用于東南大學(xué)ASIC工程中心研制的嵌入式處理器芯片Garfield4Plus中，通過了實際的流片和測試。
　　
PMC功能描述

PMC負(fù)責(zé)管理整個芯片工作模式的切換和系統(tǒng)時鐘頻率的設(shè)定，并負(fù)責(zé)管理芯片上各功能模塊的時鐘信號和復(fù)位信號。通過設(shè)定PMC的功能寄存器，可以控制芯片在SLOW、NORMAL、IDLE、SLEEP四種工作模式間進(jìn)行切換。

系統(tǒng)啟動后默認(rèn)工作在SLOW模式下，時鐘頻率較低，系統(tǒng)時鐘由外部晶振直接提供，并且可以通過設(shè)置PMC相關(guān)控制寄存器，得到分頻后更低速的時鐘。

NORMAL模式是系統(tǒng)最常用的正常工作模式，系統(tǒng)工作在較高的頻率上。外部晶振時鐘通過DPLL數(shù)字鎖相環(huán)倍頻后，還可以再次被分頻，得到一個可選頻率范圍較寬的高速時鐘。數(shù)字鎖相環(huán)倍頻值和穩(wěn)定時間等參數(shù)可以通過PMC進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)內(nèi)核空閑時可以設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入IDLE模式。當(dāng)總線也空閑時，內(nèi)核時鐘將被關(guān)閉，同時停止對外部存儲設(shè)備的操作，可以大大減小系統(tǒng)功耗。這種模式可以被各種內(nèi)外部中斷信號喚醒，喚醒后的系統(tǒng)將恢復(fù)到進(jìn)入此狀態(tài)之前的工作模式繼續(xù)工作。

如果系統(tǒng)當(dāng)前工作全部完成，整個系統(tǒng)都空閑的時候，可以設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP模式。PMC將會關(guān)閉除實時控制模塊RTC以外的所有模塊，系統(tǒng)功耗降低到最小。系統(tǒng)將會等待外部喚醒信號或RTC的定時喚醒信號來恢復(fù)系統(tǒng)時鐘。被喚醒的系統(tǒng)將會首先進(jìn)入SLOW模式。為了確保實現(xiàn)系統(tǒng)的喚醒，RTC和系統(tǒng)時鐘喚醒模塊使用獨立的電源和晶振。

PMC還可以自由控制各功能模塊時鐘的開關(guān)。在正常的工作模式下，可以關(guān)閉暫時不用的模塊以減小系統(tǒng)的功耗。另外，PMC還管理系統(tǒng)的復(fù)位信號并實現(xiàn)軟件復(fù)位功能。
    
模塊劃分及實現(xiàn)

根據(jù)以上對于PMC工作原理和欲實現(xiàn)功能的分析，可將PMC劃分為6個功能模塊：PMC控制器狀態(tài)機(jī)(FSM)、數(shù)字鎖相環(huán)控制器(DPLL控制)、時鐘分頻選擇模塊(包括兩個時鐘分頻器和一個無毛刺時鐘切換專用電路GCM)、復(fù)位信號控制模塊(Reset)、系統(tǒng)時鐘喚醒模塊(Wakeup)和總線接口模塊，如圖1所示。另外，數(shù)字鎖相環(huán)DPLL為硬件宏模塊，其性能經(jīng)過專門的調(diào)試和驗證以保證符合使用要求；GCM用于保證時鐘切換時電路能夠穩(wěn)定工作。

圖1 PMC模塊劃分和時鐘路徑

從圖1中還可以清晰看出PMC的時鐘結(jié)構(gòu)。Wakeup模塊使用RTC的專用晶振時鐘，以保證主時鐘關(guān)閉后還能正常工作。Reset模塊使用主晶振時鐘。主晶振時鐘經(jīng)過可選分頻得到較慢的時鐘，同時主晶振時鐘經(jīng)過DPLL倍頻，再經(jīng)過可選分頻得到較快的時鐘。兩路時鐘經(jīng)過GCM的平穩(wěn)切換可獲得整個系統(tǒng)所使用的工作時鐘，該時鐘將會分別提供給內(nèi)核、總線和各功能模塊(包括PMC自身的控制和接口模塊)。

PMC控制器狀態(tài)機(jī)

PMC控制器狀態(tài)機(jī)的功能是決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)變化，并根據(jù)所處工作狀態(tài)輸出控制信號以及與其它模塊的握手信號。此模塊是整個PMC的控制核心，它可以分析軟件命令，根據(jù)軟件命令改變系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式，并收集總線、存儲器、中斷控制器等其他功能模塊的工作狀態(tài)信息；再根據(jù)這些信息控制工作模式的改變，輸出包括開啟晶振時鐘、開啟數(shù)字鎖相環(huán)、時鐘源選擇、SDRAM自刷新等控制信號，以及與總線、中斷控制器等模塊的握手信號。系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

圖2 工作模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)

數(shù)字鎖相環(huán)控制器

數(shù)字鎖相環(huán)控制器負(fù)責(zé)根據(jù)PMC的相關(guān)控制寄存器配置數(shù)字鎖相環(huán)DPLL，并通過硬件計數(shù)實現(xiàn)用戶設(shè)定的穩(wěn)定過渡時間，以保證DPLL有足夠的穩(wěn)定時間來鎖定所設(shè)置的工作頻率?？刂破鳡顟B(tài)機(jī)發(fā)出的時鐘選擇命令和用戶發(fā)出的頻率重配命令都要經(jīng)過此模塊的管理，以保證切換過程中的時鐘穩(wěn)定。

時鐘分頻選擇模塊

時鐘分頻選擇模塊負(fù)責(zé)選擇和產(chǎn)生整個系統(tǒng)工作所需的時鐘信號。時鐘的可選范圍和時鐘切換的穩(wěn)定，對于 PMC和整個芯片都十分重要。本文采用2MHz~5MHz的主晶振時鐘和經(jīng)過DPLL倍頻后的100MHz~300MHz時鐘作為時鐘源，再經(jīng)過多種倍率的可選分頻，最終獲得一個比較寬的可選時鐘范圍。為了提高時鐘切換的穩(wěn)定性，還專門設(shè)計了一種無毛刺時鐘切換電路GCM(專利電路)，可以在三個周期之內(nèi)平穩(wěn)切換兩路各種周期差異的時鐘，并同時改善輸出時鐘的質(zhì)量。在本設(shè)計中，GCM用以實現(xiàn)晶振和DPLL兩路時鐘的平穩(wěn)切換。    

GCM的原理框圖如圖3所示。用普通二選一電路(PRE_MX)初步切換得到的時鐘CLK3同步外界輸入的時鐘選擇信號SEL；得到的同步選擇信號SEL1實際控制時鐘的切換，同時SEL1再經(jīng)過進(jìn)一步同步得到屏蔽殘缺周期的門控信號；最后用門控信號去除時鐘切換中的不穩(wěn)定部分，得到平穩(wěn)的時鐘輸出。

圖3 GCM無毛刺切換電路結(jié)構(gòu)框圖

復(fù)位信號控制模塊

復(fù)位信號控制模塊負(fù)責(zé)接收外部復(fù)位信號和軟件復(fù)位信號，并按照工作時序的需要，分別向芯片的各個功能模塊發(fā)出復(fù)位信號?？梢韵蚰承?fù)位有特定時序和順序要求的模塊單獨發(fā)送復(fù)位信號。并且可以區(qū)分軟、硬件復(fù)位，對不同的模塊集合進(jìn)行復(fù)位。

系統(tǒng)時鐘喚醒模塊

系統(tǒng)時鐘喚醒模塊負(fù)責(zé)恢復(fù)關(guān)閉的系統(tǒng)時鐘，并保證時鐘穩(wěn)定可用。在系統(tǒng)從節(jié)能模式(IDLE或SLEEP)恢復(fù)到正常工作模式(NORMAL或SLOW)的過程中，系統(tǒng)必須將已關(guān)閉的時鐘恢復(fù)到正常穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)從IDLE模式下喚醒時，需要恢復(fù)內(nèi)核的時鐘。本模塊可以接收外部的喚醒信號形成一個喚醒中斷，提交到中斷控制器，這與其他所有模塊產(chǎn)生的內(nèi)部中斷一樣，可以喚醒內(nèi)核時鐘，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。當(dāng)系統(tǒng)從SLEEP模式下喚醒時，需要恢復(fù)整個系統(tǒng)的時鐘。本模塊可以接收外部喚醒信號或者RTC的定時喚醒信號，并穩(wěn)定開啟和恢復(fù)系統(tǒng)時鐘，最終切換到正常的工作模式下。

AMBA總線接口模塊

RISC的內(nèi)核通過APB總線讀寫PMC時鐘功耗管理單元的寄存器，這些寄存器映射到統(tǒng)一的地址空間。另外，輸出到各個模塊的時鐘信號也通過這個模塊進(jìn)行開關(guān)控制。PMC的主要控制寄存器描述如表1所示。

仿真結(jié)果及流片

PMC時鐘功耗管理控制器采用RTL級的Verilog HDL進(jìn)行描述。使用A720T內(nèi)核仿真模型、AMBA總線和中斷控制器等功能模塊的RTL級Verilog代碼，以及本設(shè)計的源代碼，共同組成完整的仿真環(huán)境。其中A720T內(nèi)核是ARM公司設(shè)計的一款A(yù)RM7系列內(nèi)核，在ARM7TDMI基礎(chǔ)上增加了虛擬地址與物理地址轉(zhuǎn)換器MMU、指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。A720T內(nèi)核仿真模型是ARM公司提供給授權(quán)開發(fā)機(jī)構(gòu)用以完成仿真的功能模型，它不能被綜合，只能用于功能驗證。使用Synopsys公司的EDA工具VCS對本設(shè)計的功能進(jìn)行仿真和驗證。其中GCM模塊還使用HSIM進(jìn)行了SPICE晶體管級的模型仿真。GCM時鐘切換的仿真結(jié)果如圖4所示，PMC時鐘變頻和工作模式切換的仿真結(jié)果如圖5所示，PMC進(jìn)入IDLE節(jié)能模式的仿真波形如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，PMC能夠正常完成預(yù)計功能，可以穩(wěn)定地改變時鐘頻率，并根據(jù)工作模式開關(guān)時鐘。

圖4 GCM時鐘切換仿真波形圖

圖5 PMC時鐘變頻和工作模式切換仿真波形圖

圖6 PMC進(jìn)入IDLE節(jié)能模式仿真波形圖

PMC時鐘功耗管理控制器已成功應(yīng)用于東南大學(xué)ASIC工程中心自主開發(fā)的基于ARM7的嵌入式處理器Garfield4Plus中。通過該芯片的實際流片，PMC獲得實片測試的機(jī)會。測試結(jié)果表明，PMC能夠正常穩(wěn)定地完成預(yù)計功能，包括工作頻率的實時配置、工作模式的切換以及芯片的節(jié)能和喚醒。

結(jié)語

本文描述的PMC設(shè)計的特點在于工作時鐘的統(tǒng)一和時鐘結(jié)構(gòu)的清晰簡潔。GCM無毛刺時鐘切換電路，使得多個時鐘源(包括每個時鐘源的各種不同的頻率配置)在真正提供給系統(tǒng)使用之前就得到了很好的統(tǒng)一。這種時鐘結(jié)構(gòu)可以帶來更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和時序上的余量，也就代表著可以使用更高的系統(tǒng)時鐘頻率。

今后對PMC的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注以下兩點。一方面，應(yīng)當(dāng)使PMC在針對不同系統(tǒng)的具體特點時，能夠?qū)牡膶崟r管理進(jìn)行更靈活的配置。既要保證最大限度的節(jié)能，又要增加PMC本身的可移植性。另一方面，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索更科學(xué)的結(jié)構(gòu)，使提供給系統(tǒng)的時鐘在更靈活的配置方式下，仍然能夠保證安全和穩(wěn)定。■

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