IP 授權(quán)

簡介

        文獻(xiàn)[1]使我們在如下方面有了一個(gè)很好的了解：芯片里什么是主要電源消耗者以及如何克服。大部分動(dòng)態(tài)功率消耗相關(guān)技術(shù)可以用寄存器傳輸語言(RTL)捕獲或在合成腳本中控制。直到最近，關(guān)閉設(shè)計(jì)中某些部件電源的相關(guān)技術(shù)成為可能，僅通過把設(shè)計(jì)與特殊技術(shù)捆綁實(shí)現(xiàn)。一種常用的方式是hand-instantiate技術(shù)，是專門的功率控制元素。有爭議的是，這種設(shè)計(jì)開發(fā)緩慢并容易出錯(cuò)。驗(yàn)證方法將涉及到門級或晶體管級模擬仿真，這很費(fèi)時(shí)。缺點(diǎn)是需要了解語言開發(fā)，要用到CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))工具進(jìn)行仿真和合成。本文的目的是對如下進(jìn)行初步描述：電源控制需要做哪些事情，以及UPF如何使用軟件IP處理。

電源控制所需的操作

        為了實(shí)現(xiàn)低功率消耗，設(shè)計(jì)人員需要特殊的電源控制單元。電源控制的目的可能是：(a)使模塊工作在不同的供電電壓，時(shí)序要求嚴(yán)格的模塊工作在較高電壓下，(b)打開/關(guān)閉整個(gè)模塊。

使模塊工作在不同的供電電壓需要使用電平移位器。

處理關(guān)閉模塊電源時(shí)必須考慮到的關(guān)鍵元素是

a. 隔離單元：在正常的工作模式下，當(dāng)模塊沒有關(guān)閉電源時(shí)，隔離單元只需要使邏輯值通過。當(dāng)模塊關(guān)閉電源時(shí)，隔離單元確保輸出捕捉到一個(gè)已知邏輯值。邏輯值可以為“0”，' 1 '或最近的狀態(tài)。

b. 電源狀態(tài)保持門(SRPG)： SRPG是當(dāng)設(shè)為SAVE時(shí)，用來保持影子寄存器中寄存器內(nèi)容的備份。當(dāng)寄存器上電時(shí)，我們保持其值，設(shè)為RESTORE。影子寄存器備份的內(nèi)容返回到主寄存器

c. 電源開關(guān)：這些是打開/關(guān)閉電源的單元。要注意，這些開關(guān)必須精密加工，避免多余的“IR”丟掉。
 


圖1  電源控制基本組成

圖2所示為電源控制的相關(guān)控制信號。請注意，“_N”后綴的信號為低有效。

        電源關(guān)閉時(shí)序必須按照以下步驟：(i) 需要關(guān)閉電源的模塊必須要先隔離，這樣相鄰模塊仍能收到有效的數(shù)字信號，(ii)設(shè)置SAVE信號，這樣SRPG為保持模式，(iii)這時(shí)，所有連續(xù)和組合單元都處于接受關(guān)閉電源的狀態(tài)。這時(shí)候POWER_DOWN就有效了。

        電源上電時(shí)序要遵循下面步驟：(i) 禁用 POWER_DOWN， (ii) 禁用復(fù)位，有一個(gè)效果的上電復(fù)位，(iii) 當(dāng)RESTORE 信號有效時(shí)，SRPG復(fù)制影子寄存器內(nèi)容到主寄存器，(iv)允許隔離單元傳輸正常值。

RETAIN_N可以用SAVE 和 RESTORE信號來代替。

 
圖2 電源控制信號時(shí)序

UPF：電源控制的實(shí)現(xiàn)

        UPF文件可以使用一串命令執(zhí)行電源供電規(guī)格。UPF提供的命令細(xì)節(jié)可在參考文獻(xiàn)[2]中找到?？梢詾橐粋€(gè)特定的軟件IP（其捕捉整個(gè)電源事件）創(chuàng)建一個(gè)單一的文件。從而文件由仿真和合成工具創(chuàng)建。請注意，UPF流不需要RTL任何方式的改變。

        UPF文件可以劃分兩個(gè)部分。一部分捕獲供電分布網(wǎng)絡(luò)。供電網(wǎng)絡(luò)的主要因素包括：(i)功率域，(ii)電源端口，是特定功率域的一部分，(iii)從這些端口的供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)元素在IP中。第二部分包括電源策略，例如隔離、保持、電位平移和電源狀態(tài)。圖3和圖5分別對這兩個(gè)部分進(jìn)行了舉例說明。請注意，我們認(rèn)為電源開關(guān)屬于前一部分，因?yàn)樗鼮楣╇娋W(wǎng)絡(luò)定義了端口。


  圖3  UPF示例:設(shè)置
 
        功率域是一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)元素的邏輯分組。功率域創(chuàng)建的邏輯層次稱為功率域范圍。所以，在圖4中，PD-1適用范圍是TOP_AB，PD-2適用范圍是TOP_CD。有這種可能，即使C在TOP_CD，它也可能想要在PD-1操作。在這種情況下，可以說C在PD-1拓展范圍，但在PD-2范圍。
 

圖4 功率域

         圖3需要注意， vccd跨越 了“默認(rèn)”和“VCC_0” 功率域，但vcc_0網(wǎng)絡(luò)只定義了功率域”VCC_0”。這是因?yàn)関ccd為持續(xù)供電網(wǎng)絡(luò)，其為SRPG供電。這是由選擇”-retention_power_net vccd”到“set_retention”命令來實(shí)現(xiàn)的，如圖5所示。

 
圖5 UPF例程:保持、隔離和電源狀態(tài)

        UPF文件的一個(gè)重要方面是創(chuàng)建電源狀態(tài)表(PST)。PST可以在一個(gè)設(shè)計(jì)中定義所有合法的和非法的電源狀態(tài)。在圖5所示的例程中，S1和S2代表PST的合法元素。從例子中PST定義可以推理，不可以選擇關(guān)閉vccd，但vcc_0可開啟或關(guān)閉。

結(jié)論

        UPF已成為一個(gè)電源規(guī)范語言，大多數(shù)CAD工具現(xiàn)在已經(jīng)可以識別它。它提供了一系列有用的命令，設(shè)計(jì)人員可以用來捕獲電源意圖。低電平設(shè)計(jì)元素(例如：SRPG、隔離單元，電平移位器和電源開關(guān))不再需要在RTL中手動(dòng)完成電源命令代碼。設(shè)計(jì)可以以RTL、UPF和時(shí)序約束集合形式捕捉。這可以方便各種技術(shù)關(guān)鍵性能因素（如電源、區(qū)域和速度）能合理控制。

聲明

感謝Anand Moghe 和Deepak N K為本文的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS.。27卷， 1992年4月4日。低功耗CMOS數(shù)字設(shè)計(jì)。作者：Anantha P. Chandrakasan， Samuel Sheng， 和 Robert W. Brodersen.

[2] “Accellera” Unified Power Format (UPF)標(biāo)準(zhǔn)，1.0版本。
http：//www.unifiedpowerformat.com/imagses/UPF.v1.0_Standard.pdf

[3]   Michael Keating et al“片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)低功率設(shè)計(jì)手冊”