基于低功耗优化技术的16位MCU设计

摘要

近年来，MCU在微控制系统当中的应用不断拓展，微控制系统尤其是便携式测量系统，对MCU的功耗要求越来越严格。随着集成度和速度的提高，MCU的处理功能和性能不断提升，MCU的功耗成为限制应用的主要问题，因此如何有效降低功耗己经成为设计中面临的主要问题。
　　本研究将低功耗优化技术应用到MCU设计当中，并给出了一款超低功耗MCU芯片SH6601的低功耗设计过程。首先，对数字集成电路功耗的来源和针对不同来源采取不同的优化方法进行了研究，分别从系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑门级、版图级以及电路级分析了低功耗的优化方法，并选用合适的优化方法，将其应用到MCU的设计之中；其次，给出了MCU的系统架构和功能模块的低功耗设计，涵盖了系统架构设计、系统软硬件划分、芯片时钟技术、DMA控制器设计以及操作数隔离技术等，设计并验证了采用低功耗技术的模式控制器和时钟控制器；最后，对采用不同优化手段前后芯片的功耗进行了对比，其中包括采用门控时钟前后功耗对比，采用操作数隔离前后功耗对比，以及采用软硬件实现 CRC的功耗对比，并给出了不同模式下芯片实测功耗。
　　本研究主要内容包括：⑴对MCU系统架构进行了研究。针对MCU设计要求，采用具有哈佛结构及流水线结构的80251内核，集成了硬件随机数发生器以及硬件 DES加解密电路，具有高整合度、高抗干扰性、高可靠性和超低功耗的特点；为了提高程序运行速度，支持在RAM中运行程序，并集成中断与复位控制器使CPU能够及时响应不同情况。⑵对工作模式控制器与时钟控制器进行了研究。针对工作模式控制器，根据不同应用场合设计了三种工作模式：Active模式、Idle模式、Low power模式，可按应用场合来选择工作模式使得功耗最低；针对时钟控制器，根据应用情况与芯片性能要求选择了最高16MHz时钟模块与32KHz晶振，实现了系统时钟的稳定输出与无毛刺切换。⑶对低功耗优化方法的优化效果进行了研究。通过仿真初步验证了低功耗优化方法在MCU设计当中对功耗的影响，其中采用寄存器级门控时钟降低了系统功耗的17.5％，采用操作数隔离降低了系统功耗的15%，硬件实现CRC算法比软件实现CRC算法节省了50倍运算时间。⑷该芯片采用TSMC0.18μm工艺库，已经通过流片，功耗测试结果为，Low power模式：最低为0.6μA@3V，Idle模式：40μA/MHz@3V，Active模式：260μA/MHz@3V，满足设计指标，实测结果验证了该设计方法的可行性和有效性。

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第一章 绪论

1.1 数字集成电路低功耗设计的背景及意义

1.2 数字集成电路的低功耗优化方法

1.3 本论文研究内容与结构安排

1.4 本章小结

第二章 功耗分析与低功耗优化技术

2.1 功耗的来源

2.2 降低功耗的基本途径

2.3 数字集成电路的低功耗优化技术

2.4 本章小结

第三章 16位超低功耗MCU设计

3.1 超低功耗MCU系统架构与主要功能模块

3.2 低功耗设计思路

3.3 本章小结

第四章 MCU中关键模块的设计与验证

4.1 工作模式控制器设计与验证

4.2 时钟控制器设计与验证

4.3 本章小结

第五章 功耗对比与芯片实测功耗

5.1 采用门控时钟功耗对比

5.2 采用操作数隔离功耗对比

5.3 软件实现CRC与硬件实现CRC功耗对比

5.4 芯片实测功耗

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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