寄存器傳輸級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)方法

這種方法在很多人看來(lái)是理所當(dāng)然的，認(rèn)為就應(yīng)該是這樣設(shè)計(jì)。然而在實(shí)際中，設(shè)計(jì)者一方面關(guān)心模塊的功能，另一方面迫于設(shè)計(jì)時(shí)間的壓力，所以很多設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)沒(méi)有考慮。如圖3a，一個(gè)加法器的兩個(gè)輸入端沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何邏輯直接進(jìn)入加法器，系統(tǒng)不管是否需要加法運(yùn)算，加法器都一直工作著，輸出不斷翻轉(zhuǎn)著，這對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗是很大的浪費(fèi)，而且數(shù)據(jù)總線越寬浪費(fèi)的功耗越多；圖3b 則用操作數(shù)隔離的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)系統(tǒng)不需要加法運(yùn)算的時(shí)候，Adder_en信號(hào)為“0”，則加法器的兩個(gè)輸入端都保持“0”， 其輸出不會(huì)發(fā)生任何翻轉(zhuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，而如果需要進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，Adder_en變成“1”，加法器正常工作。
當(dāng)對(duì)系統(tǒng)里所有的算術(shù)、邏輯運(yùn)算單元都用上這種方法必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗有很大的優(yōu)化，在芯片面積方面，如圖3b所示的，所增加的邏輯僅僅是幾個(gè)多路器而已。
3.存儲(chǔ)器分塊訪問(wèn)
一個(gè)系統(tǒng)里少不了存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的功耗在整個(gè)系統(tǒng)里所占的比例不可忽視。因而降低存儲(chǔ)器的功耗，對(duì)于整個(gè)芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化很有幫助。
這里提出一種叫做存儲(chǔ)器分塊訪問(wèn)的方法來(lái)降低存儲(chǔ)器的功耗。主要思想是：將系統(tǒng)所需要一定容量的存儲(chǔ)器分成兩塊，然后用高位地址線進(jìn)行片選譯碼。結(jié)合下面的實(shí)例：
假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)需要128K的RAM，如圖4所示，我們選用兩塊64KB的RAM。CPU給出了17位地址線，其中低16位地址線直接提供給兩個(gè)RAM，最高位地址線接到下面RAM的片選端CS，而這根地址線經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器接到另一個(gè)RAM的片選端。通過(guò)這種方法，不管從CPU 出來(lái)的什么樣的地址，則每次只會(huì)選中一個(gè)64KB的RAM。如果采用單塊128KB的RAM，則每次都要選中一塊128KB的RAM。眾所周知，一塊64KB RAM的功耗要遠(yuǎn)小于一塊128KB RAM的功耗。這樣從存儲(chǔ)器這一方面，又為系統(tǒng)節(jié)省了功耗。
表1：一款SIM卡芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化
前后功耗及芯片面積的對(duì)比。

功耗和面積永遠(yuǎn)是相矛盾的，如果想要降低系統(tǒng)的功耗，必然要加上一些控制邏輯來(lái)進(jìn)行功耗優(yōu)化，而這部分邏輯會(huì)增加芯片的面積，所以在功耗和面積之間就要有個(gè)折衷。上面的三種寄存器傳輸級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)，不會(huì)增加很多邏輯，因而對(duì)芯片面積的影響不大。而經(jīng)過(guò)了這三種低功耗設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗的改善很明顯。例如，使用功耗仿真工具powermill對(duì)一款SIM卡芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行管級(jí)功耗仿真，這里采用的是華杰的0.25um的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，表1是優(yōu)化前后功耗及芯片面積的對(duì)比。
從表1可以看到，經(jīng)過(guò)低功耗設(shè)計(jì)后的芯片平均動(dòng)態(tài)電流比優(yōu)化前降了16%，然而優(yōu)化前后芯片的面積沒(méi)有發(fā)生改變，因而，上面的三種設(shè)計(jì)方法對(duì)于降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗是非常有效的。
本文小結(jié)
本文首先分析了CMOS電路功耗的來(lái)源，基于這個(gè)理論基礎(chǔ)介紹了三種寄存器傳輸級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)方法，最后，通過(guò)一款手機(jī)SIM卡芯片的功耗優(yōu)化并進(jìn)行仿真，得出結(jié)論：這三種方法對(duì)降低系統(tǒng)功耗有很大的幫助，而且?guī)缀鯖](méi)有增加芯片的面積。