基于通用DMAC IP的功耗分析及优化

发布时间：2020-08-13 17:58

【摘要】：DMAC(Direct Memory Access Controller)是数字电路系统中的一个重要模块。它的主要功能是在不需要处理器参与的情况下实现储存器和外设之间的数据搬移。这使得其它设备减少了对处理器和总线的过度占用,提升了系统效率。随着超大规模集成电路的发展,基于IP(Intellectual Property)的设计方法极大的提高了集成电路的设计效率,缩短了项目周期,已经成为芯片设计开发的主流方法。DMAC作为输入输出系统中的重要组成部分,通常会以IP的形式被集成到各种SoC(System-on-Chip,SoC)系统中。当前对于DMAC IP的研究主要集中在高性能、易复用这两个方面。但是随着移动设备的飞速发展,功耗问题日益突显,低功耗也已经成为一款成熟的DMAC IP的重要考量标准之一。本文研究的核心内容是基于一款通用的DMAC IP,结合动态频率调节(Dynamic Frequency Scaling)技术和门控时钟(Clock Gating)技术制定了一种环境敏感型的时钟自动调控(Context Sensitive Automatically Clock Regulate,CSACR)的功耗优化方案来对其进行耗优分析及优化,以达到降低功耗的目的。首先对CMOS集成电路的功耗分析及优化进行研究,主要分析研究了CMOS集成电路的功耗来源以及不同抽象层次上功耗的优化方法;然后对DMA控制器的原理及电路结构进行分析,主要介绍了DMA传输的原理以及发展,对所要优化的DMAC IP的硬件电路结构进行了深入的研究介绍;接着,针对所要优化的DMAC IP,提出了功耗优化方案,并且根据功耗优化方案完成了低功耗设计;最后,对DMAC IP进行功耗仿真和实际芯片功耗测试,并且对结果进行分析,验证优化效果,最终确认该DMAC IP在空闲状态下可节省功耗达88%以上。CSACR功耗优化方案作为本文的创新点,其主要原理是通过监测电路内部的关键信号来判断电路所处的工作状态,再根据电路所处的工作状态来对电路时钟进行调节以达到节省功耗的目的。其优点主要在于可以根据电路的工作状态动态的进行时钟调节,功耗优化效果明显且对电路性能影响较小。本论文的研究成果已经在英特尔某款基带芯片上得到了成功的应用,使得该芯片上DMAC模块的功耗有明显的降低。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN0
【图文】：

晶体管,处理器

应用非常广泛。当前，移动设备、物联网设备的飞速发展使得功耗问题越来越引起人们的关注。因此，一款成熟的 DMAC IP 不仅要考虑其性能和复用，更应该在其设计阶段，就将功耗作为一项重要的考量因素。本章主要从功耗和 DMA 控制器两个方面展开，首先对它们的发展背景及意义进行了简要的介绍。然后对低功耗和 DMA 控制器当前的发展情况进行分析，着重说明了低功耗将成为 DMAC IP 设计的一个重要的发展方向。本章最后给出了本文的主要研究内容和文章的结构安排。1.1 课题背景及意义戈登·摩尔是英特尔（Intel）创始人之一，其曾提出了著名的摩尔定律：在价格不变时，集成电路上可容纳元件的数目，约每 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍[3]。这种趋势已经延续了超过半个多世纪，集成电路上的晶体管数量从最初的几百门已经增长到了现在上亿门，如图 1.1 所示，Intel 处理器的晶体管数逐年增长基本符合摩尔定律，从 1970 年几千门电的路规模到 2015 年已经发展到数十亿门的电路规模。

密度图,功耗,处理器,密度

显著的提高了设计人员的设计效率。但当面对电路规模达百万门级的时候，对整路全部从编写 RTL 代码开始设计是不现实的，因此基于 IP 的设计方法随之出现通过对一些常用模块的复用有效降低了芯片的研发成本，也提高了芯片流片成功率。当今，SoC 的设计方法，都是基于大量的 IP 复用，有效的提高芯片集成度低了生产成本。电路设计上的一系列变革，使得设计效率不断提高，电路的集成度不断增大，芯片上的功耗问题日益凸显。当微电子工艺进入深亚微米，一系列功耗问题随之，将数以亿计的晶体管集成在一块微小的芯片上，芯片上的功耗密度将变得非常，芯片的散热问题，对芯片的封装技术提出了非常巨大的挑战。如图 1.2 所示，In理器功耗密度逐年增长图，在 2015 年时，芯片上的功耗密度将超过 4000W/cm2着近些年，移动设备的飞速发展，功耗问题已经越来越多的被业界所关注。从市角度来看，性能一样，但功耗更低，待机时间更长的手机明显更能吸引到消费者此关于低功耗方面的研究，将深刻的影响到从芯片设计到制造的每一个环节。对块芯片的优劣的评价标准，不能仅仅局限于性能和面积两方面，功耗也已经成为的重要标准之一。

漏电流,亚阈值电流,反偏二极管,反向饱和电流

图 2.3 漏电流的来源是由 MOS 管的源（或漏）和衬底之间形成反偏二极管之间，见图 2.3[3]。与温度成指数关系，随着温度的增减，漏电流也会迅速增加式(2-12)： revers = · ( h1)(2-12)反向饱和电流， = · 2· ( )， th是热电亚阈值电流电流的产生则是由于栅源之间的电压接近或小于阈值电压路而产生亚阈值电流[9]，见图 2.4。对于亚阈值电流由如下

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