应用于SoC系统的自适应动态功耗管理模块设计

摘要

随着集成电路设计技术的高速发展和集成电路制造工艺的不断进步，嵌入式产品性能要求不断提高，片上系统(SoC)芯片的设计复杂度越来越高，系统的功耗也随之不断增加。与此同时，电池储能技术没有取得突破性进展，这使得低功耗设计成为SoC设计中非常重要的环节。
　　本文首先以一个CMOS反相器为例，介绍了CMOS集成电路中功耗的来源及原理，主要包括开关功耗、短路功耗和漏电功耗，并且分别从原理上分析了可用于降低这些功耗的低功耗手段。其次，本文还对SoC设计中主流的低功耗设计方法做了进一步的研究，主要包括动态电压频率调节、门控时钟、门控电源和动态功耗管理技术等。
　　在此基础上，本文提出了一种自适应动态功耗管理系统，它能够根据硬件监测系统对SoC各资源使用情况的反馈，按照事先配置的工作点转换策略，利用多种SoC低功耗手段，调整片上系统各模块的工作状态，在满足性能需求的情况下达到降低功耗的目的，并基于杭州中天微系统有限公司的CK802高能效SoC平台，对该自适应动态功耗管理系统进行了硬件设计实现。主要包括对SoC平台的电压域划分、SoC系统的多种低功耗模式定义以及自适应动态功耗管理系统中功耗管理单元和监测单元等各个组成部分的具体设计与实现。
　　最后，本文对基于CK802高能效SoC平台所设计实现的自适应动态功耗管理系统进行了仿真测试。2048位RSA解密应用的测试结果表明，在性能几乎相同的情况下，使用自适应动态功耗管理系统进行合理的工作点配置，将空闲模块的时钟和电源关断后，能使SoC系统的功耗降低约42％，并且在SMIC55工艺下，该SoC系统的最低待机功耗达到了0.002mW。与此同时，本文所设计实现的自适应动态功耗管理系统在CK802高能效SoC平台中所占的面积只有约3.5％。

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摘要

图目录

表目录

第1章 引言

1．1 集成电路及SoC的发展

1．2 SoC低功耗设计的必要性

1．3 论文研究的主要内容

1．4 论文结构

第2章 功耗来源及原理

2．1 开关功耗

2．2 短路功耗

2．3 漏电功耗

2．4 小结

第3章 SoC功耗优化方法

3．1 动态电压频率调节

3．2 门控时钟

3．3 门控电源

3．4 动态功耗管理

3．5 小结

第4章 自适应动态功耗管理系统的整体架构

4．1 自适应的动态功耗管理系统架构定义

4．2 软硬件系统整体架构

4．3 小结

第5章 自适应动态功耗管理系统的设计与实现

5．1 CK802高能效SoC平台介绍

5．1．1 SoC平台整体架构

5．1．2 SoC平台的特性

5．1．3 SoC平台的时钟和复位

5．2 电压域划分

5．3 系统低功耗模式

5．4 功耗管理单元的设计

5．4．1 时钟管理单元

5．4．2 门控电源管理单元

5．4．3 功耗管理控制单元

5．4．4 Cache动态配置单元

5．4．5 映射单元

5．5 监测单元的设计

5．6 小结

第6章 实验结果与分析

6．1 正常工作模式

6．2 低功耗模式

6．3 面积评估

6．4 小结

第7章 总结与展望

参考文献

作者简介

在学期间科研成果