摘 要：本文闡述了一種芯片時(shí)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(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)，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(shí)際的流片和測(cè)試。

　　關(guān)鍵詞：功耗管理；無毛刺切換；時(shí)鐘控制

引言

　　在soc芯片設(shè)計(jì)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(shí)，作為一個(gè)龐大的數(shù)字電路系統(tǒng)，處理器芯片的時(shí)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(gè)芯片的時(shí)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(shí)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(gè)專門的時(shí)鐘與功耗管理控制器(以下統(tǒng)稱pmc)來實(shí)現(xiàn)這些功能。pmc控制著整個(gè)芯片的工作模式和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，其穩(wěn)定和完善將影響整個(gè)芯片的性能。

　　本文通過對(duì)pmc工作原理的分析確定了設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(shí)際的流片和測(cè)試。
　　
pmc功能描述

　　pmc負(fù)責(zé)管理整個(gè)芯片工作模式的切換和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)定，并負(fù)責(zé)管理芯片上各功能模塊的時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。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(dòng)后默認(rèn)工作在slow模式下，時(shí)鐘頻率較低，系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)可選頻率范圍較寬的高速時(shí)鐘。數(shù)字鎖相環(huán)倍頻值和穩(wěn)定時(shí)間等參數(shù)可以通過pmc進(jìn)行設(shè)置。

　　當(dāng)內(nèi)核空閑時(shí)可以設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入idle模式。當(dāng)總線也空閑時(shí)，內(nèi)核時(shí)鐘將被關(guān)閉，同時(shí)停止對(duì)外部存儲(chǔ)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(hào)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(gè)系統(tǒng)都空閑的時(shí)候，可以設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入sleep模式。pmc將會(huì)關(guān)閉除實(shí)時(shí)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(huì)等待外部喚醒信號(hào)或rtc的定時(shí)喚醒信號(hào)來恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘。被喚醒的系統(tǒng)將會(huì)首先進(jìn)入slow模式。為了確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的喚醒，rtc和系統(tǒng)時(shí)鐘喚醒模塊使用獨(dú)立的電源和晶振。

　　pmc還可以自由控制各功能模塊時(shí)鐘的開關(guān)。在正常的工作模式下，可以關(guān)閉暫時(shí)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(hào)并實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位功能。

模塊劃分及實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)以上對(duì)于pmc工作原理和欲實(shí)現(xiàn)功能的分析，可將pmc劃分為6個(gè)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(shí)鐘分頻選擇模塊(包括兩個(gè)時(shí)鐘分頻器和一個(gè)無毛刺時(shí)鐘切換專用電路gcm)、復(fù)位信號(hào)控制模塊(reset)、系統(tǒng)時(shí)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(yàn)證以保證符合使用要求；gcm用于保證時(shí)鐘切換時(shí)電路能夠穩(wěn)定工作。

　　圖1 pmc模塊劃分和時(shí)鐘路徑

　　從圖1中還可以清晰看出pmc的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。wakeup模塊使用rtc的專用晶振時(shí)鐘，以保證主時(shí)鐘關(guān)閉后還能正常工作。reset模塊使用主晶振時(shí)鐘。主晶振時(shí)鐘經(jīng)過可選分頻得到較慢的時(shí)鐘，同時(shí)主晶振時(shí)鐘經(jīng)過dpll倍頻，再經(jīng)過可選分頻得到較快的時(shí)鐘。兩路時(shí)鐘經(jīng)過gcm的平穩(wěn)切換可獲得整個(gè)系統(tǒng)所使用的工作時(shí)鐘，該時(shí)鐘將會(huì)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(hào)以及與其它模塊的握手信號(hào)。此模塊是整個(gè)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(chǔ)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(shí)鐘、開啟數(shù)字鎖相環(huán)、時(shí)鐘源選擇、sdram自刷新等控制信號(hào)，以及與總線、中斷控制器等模塊的握手信號(hào)。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，