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，進行了模塊劃分，采用硬件描述語言實現了設計，并利用Synopsys公司的EDA工具進行了仿真和綜合。該控制器已成功應用于東南大學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。
關鍵詞：功耗管理；無毛刺切換；時鐘控制

引言

在SoC芯片設計中，功耗是微處理器芯片是否成功的重要標準之一。同時，作為一個龐大的數字電路系統，處理器芯片的時鐘架構及其控制也將變得尤為重要，將直接影響到芯片的功耗。基于以上考慮，整個芯片的時鐘和功耗必須得到統一的管理和控制。包括核與總線在內的各功能模塊的時鐘應當能夠跟據具體工作需要自由開關，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(以下統稱PMC)來實現這些功能。PMC控制著整個芯片的工作模式和系統時鐘頻率，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計的總體結構并進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行了設計實現，并成功應用于東南大學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負責管理整個芯片工作模式的切換和系統時鐘頻率的設定，并負責管理芯片上各功能模塊的時鐘信號和復位信號。通過設定PMC的功能寄存器，可以控制芯片在SLOW、NORMAL、IDLE、SLEEP四種工作模式間進行切換。

系統啟動后默認工作在SLOW模式下，時鐘頻率較低，系統時鐘由外部晶振直接提供，并且可以通過設置PMC相關控制寄存器，得到分頻后更低速的時鐘。

NORMAL模式是系統最常用的正常工作模式，系統工作在較高的頻率上。外部晶振時鐘通過DPLL數字鎖相環(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。數字鎖相環(huán)倍頻值和穩(wěn)定時間等參數可以通過PMC進行設置。

當內核空閑時可以設置系統進入IDLE模式。當總線也空閑時，內核時鐘將被關閉，同時停止對外部存儲設備的操作，可以大大減小系統功耗。這種模式可以被各種內外部中斷信號喚醒，喚醒后的系統將恢復到進入此狀態(tài)之前的工作模式繼續(xù)工作。

如果系統當前工作全部完成，整個系統都空閑的時候，可以設置系統進入SLEEP模式。PMC將會關閉除實時控制模塊RTC以外的所有模塊，系統功耗降低到最小。系統將會等待外部喚醒信號或RTC的定時喚醒信號來恢復系統時鐘。被喚醒的系統將會首先進入SLOW模式。為了確保實現系統的喚醒，RTC和系統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。在正常的工作模式下，可以關閉暫時不用的模塊以減小系統的功耗。另外，PMC還管理系統的復位信號并實現軟件復位功能。
    
模塊劃分及實現

根據以上對于PMC工作原理和欲實現功能的分析，可將PMC劃分為6個功能模塊：PMC控制器狀態(tài)機(FSM)、數字鎖相環(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)、復位信號控制模塊(Reset)、系統時鐘喚醒模塊(Wakeup)和總線接口模塊，如圖1所示。另外，數字鎖相環(huán)DPLL為硬件宏模塊，其性能經過專門的調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的時鐘結構。Wakeup模塊使用RTC的專用晶振時鐘，以保證主時鐘關閉后還能正常工作。Reset模塊使用主晶振時鐘。主晶振時鐘經過可選分頻得到較慢的時鐘，同時主晶振時鐘經過DPLL倍頻，再經過可選分頻得到較快的時鐘。兩路時鐘經過GCM的平穩(wěn)切換可獲得整個系統所使用的工作時鐘，該時鐘將會分別提供給內核、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

PMC控制器狀態(tài)機的功能是決定系統的工作狀態(tài)變化，并根據所處工作狀態(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，根據軟件命令改變系統當前的工作模式，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。系統工作模式轉換的狀態(tài)機如圖2所示。

圖2 工作模式轉換狀態(tài)機

數字鎖相環(huán)控制器

數字鎖相環(huán)控制器負責根據PMC的相關控制寄存器配置數字鎖相環(huán)DPLL，并通過硬件計數實現用戶設定的穩(wěn)定過渡時間，以保證DPLL有足夠的穩(wěn)定時間來鎖定所設置的工作頻率?？刂破鳡顟B(tài)機發(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責選擇和產生整個系統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的主晶振時鐘和經過DPLL倍頻后的100MHz~300MHz時鐘作為時鐘源，再經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量。在本設計中，GCM用以實現晶振和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再經過進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無毛刺切換電路結構框圖

復位信號控制模塊

復位信號控制模塊負責接收外部復位信號和軟件復位信號，并按照工作時序的需要，分別向芯片的各個功能模塊發(fā)出復位信號。可以向某些對復位有特定時序和順序要求的模塊單獨發(fā)送復位信號。并且可以區(qū)分軟、硬件復位，對不同的模塊集合進行復位。

系統時鐘喚醒模塊

系統時鐘喚醒模塊負責恢復關閉的系統時鐘，并保證時鐘穩(wěn)定可用。在系統從節(jié)能模式(IDLE或SLEEP)恢復到正常工作模式(NORMAL或SLOW)的過程中，系統必須將已關閉的時鐘恢復到正常穩(wěn)定的狀態(tài)。當系統從IDLE模式下喚醒時，需要恢復內核的時鐘。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生的內部中斷一樣，可以喚醒內核時鐘，使系統恢復正常工作。當系統從SLEEP模式下喚醒時，需要恢復整個系統的時鐘。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)定開啟和恢復系統時鐘，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行開關控制。PMC的主要控制寄存器描述如表1所示。

仿真結果及流片

PMC時鐘功耗管理控制器采用RTL級的Verilog HDL進行描述。使用A720T內核仿真模型、AMBA總線和中斷控制器等功能模塊的RTL級Verilog代碼，以及本設計的源代碼，共同組成完整的仿真環(huán)境。其中A720T內核是ARM公司設計的一款ARM7系列內核，在ARM7TDMI基礎上增加了虛擬地址與物理地址轉換器MMU、指令Cache和數據Cache。A720T內核仿真模型是ARM公司提供給授權開發(fā)機構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對本設計的功能進行仿真和驗證。其中GCM模塊還使用HSIM進行了SPICE晶體管級的模型仿真。GCM時鐘切換的仿真結果如圖4所示，PMC時鐘變頻和工作模式切換的仿真結果如圖5所示，PMC進入IDLE節(jié)能模式的仿真波形如圖6所示。從仿真結果可以看出，PMC能夠正常完成預計功能，可以穩(wěn)定地改變時鐘頻率，并根據工作模式開關時鐘。

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用于東南大學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獲得實片測試的機會。測試結果表明，PMC能夠正常穩(wěn)定地完成預計功能，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。

結語

本文描述的PMC設計的特點在于工作時鐘的統一和時鐘結構的清晰簡潔。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)在真正提供給系統使用之前就得到了很好的統一。這種時鐘結構可以帶來更好的系統穩(wěn)定性和時序上的余量，也就代表著可以使用更高的系統時鐘頻率。

今后對PMC的優(yōu)化應當重點關注以下兩點。一方面，應當使PMC在針對不同系統的具體特點時，能夠對功耗的實時管理進行更靈活的配置。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，應當進一步探索更科學的結構，使提供給系統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。

參考文獻
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