[發(fā)明專利]一種面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)及實現(xiàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010547625.1
• 申請日: 2010-11-17
• 公開（公告）號: CN102063144A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 單偉偉;沈晨;劉新寧;顧昊琳;張莊;時龍興
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于嵌入式芯片設(shè)計領(lǐng)域，特別是一種面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)體系和實現(xiàn)方法，可應(yīng)用于低功耗嵌入式系統(tǒng)芯片設(shè)計中功耗優(yōu)化。

背景技術(shù)

在現(xiàn)有的低功耗芯片中，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)有效的解決了功耗的問題，隨著集成電路工藝尺寸向著超深亞微米級甚至納米級進(jìn)一步縮小，芯片單位面積上的功耗密度也成指數(shù)級上升，這使功耗成為集成電路設(shè)計中除了工作速度外還必須考慮的重要問題。尤其近年來各類電池供電的手持式設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點芯片等芯片對低功耗要求越來越高，因而如何最大限度的降低芯片功耗已成為集成電路設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。但是傳統(tǒng)的面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)采用開環(huán)系統(tǒng)，不能對系統(tǒng)的實時運行情況做出迅速準(zhǔn)確的反應(yīng)，從而使得調(diào)節(jié)存在盲目性，控制性差，精度差等不足。

傳統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)采用開環(huán)控制方法調(diào)節(jié)電壓值，即通過查找預(yù)先建立好的電壓與頻率f的關(guān)系表格來確定電壓值，其值一旦確定就無法根據(jù)工藝偏差、溫度變化、電源電壓波動等因素的干擾而及時調(diào)整，如果各類擾動使得電路延時超過當(dāng)前工作頻率下能容忍的值，就會造成電路出錯。因此傳統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)方法將增大電壓值使其留有充足的余量來避免各類擾動帶來的延遲特性變壞，這樣就無法使芯片工作在最合適的低電壓，也就無法達(dá)到功耗最優(yōu)化。

此外，在同步系統(tǒng)中，如果觸發(fā)器的setup?time?/?hold?time（建立時間/保持時間）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個規(guī)定時間段內(nèi)達(dá)到一個可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)引時，既無法預(yù)測該單元的輸出電平，也無法預(yù)測何時輸出才能穩(wěn)定在某個正確的電平上。在這個穩(wěn)定期間，觸發(fā)器輸出一些中間級電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無用的輸出電平可以沿信號通道上的各個觸發(fā)器級聯(lián)式傳播下去，其傳播擴(kuò)大了電路故障面。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，采用該系統(tǒng)和方法降低了芯片的工作電壓，減小了電壓裕度，擴(kuò)大了芯片工作電壓的范圍，減小了芯片的功耗，同時引入了亞穩(wěn)態(tài)監(jiān)測技術(shù)，最大程度的減小了亞穩(wěn)態(tài)的傳播。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括監(jiān)測誤差的片上監(jiān)測模塊、根據(jù)系統(tǒng)實時參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電壓的自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊、直流—直流轉(zhuǎn)換器、確定系統(tǒng)初始電壓和緩沖器級數(shù)的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)初值模塊、主電路；

其中，片上監(jiān)測模塊的告警信號輸出端與關(guān)鍵路徑信號輸入端分別與自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊的告警信號輸入端和主電路關(guān)鍵路徑輸出端連接，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)初值模塊的電壓輸出端和自適應(yīng)電源電壓模塊的電壓輸入端對應(yīng)連接，自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊通過電壓調(diào)節(jié)接口與直流—直流轉(zhuǎn)換器的電壓輸入端連接，直流—直流轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端連接到主電路的電源端。

優(yōu)選的，所述片上監(jiān)測電路包括時序監(jiān)測模塊或亞穩(wěn)態(tài)監(jiān)測模塊或糾錯模塊。

優(yōu)選的，所述片上監(jiān)測模塊包括時序監(jiān)測模塊、亞穩(wěn)態(tài)監(jiān)測模塊和糾錯模塊，時序監(jiān)測模塊的異或門的第一信號輸入端和第二信號輸入端分別與糾錯模塊的第三信號輸入端和第四信號輸入端相連接，亞穩(wěn)態(tài)監(jiān)測模塊的第一信號輸出端通過濾波器與時序監(jiān)測模塊的第二信號輸出端連接到或門的第五信號輸入端，或門的輸出端連接到糾錯模塊的信號選擇端。?

本發(fā)明還提供了一種面向低功耗應(yīng)用的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：片上監(jiān)測模塊在電壓減小或者其他擾動影響下發(fā)生時序違規(guī)或者亞穩(wěn)態(tài)時，會發(fā)出告警信號，通過片上監(jiān)測模塊來監(jiān)視可能出現(xiàn)問題的各個關(guān)鍵路徑，將各類擾動的影響綜合在時序延遲特性中；當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)時，向自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊發(fā)出告警信號，同時，通過控制時鐘來使得主電路停止工作一個周期，并通過片上監(jiān)測模塊保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確性；

步驟2：自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊據(jù)此將電壓值調(diào)高直至告警信號消除；當(dāng)沒有出現(xiàn)告警信號時，自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊根據(jù)內(nèi)置算法持續(xù)的降低電壓直至出現(xiàn)告警信號；其中，電壓初值和初始的緩沖器級數(shù)是由傳統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)得到的開環(huán)控制值，通過內(nèi)置的查找表可以查出頻率和電壓以及緩沖器級數(shù)一一對應(yīng)的關(guān)系；電壓調(diào)節(jié)的策略由自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊中的內(nèi)置算法決定；結(jié)合上述步驟1中的主動控制，可迅速的將電壓在有工藝偏差和環(huán)境干擾的情況下調(diào)整到最適合的臨界電壓值，從而使功耗最優(yōu)化；

步驟3：自適應(yīng)電源電壓調(diào)節(jié)模塊通過電壓調(diào)節(jié)接口控制直流—直流轉(zhuǎn)換器，使得系統(tǒng)在避免錯誤的情況下，工作在臨界電壓。