基带芯片中CPU的低功耗设计

发布时间：2017-04-10 13:10

  本文关键词：基带芯片中CPU的低功耗设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前市场上各种便携式电子产品越来越普及,其中智能手机尤为突出,随着智能手机功能的不断丰富,它的耗电量也不断攀升。但是目前智能手机等电子设备依然是依靠电池供电的。为了提升消费者的使用体验,在电池供电量一定的情况下,必须寻求延长电池供电时间的办法,所以如何降低智能手机等电子产品的功耗成为了目前业界的一个研究热点。智能手机中最重要的芯片是基带芯片,用来负责手机的通信。目前主流的基带芯片可以支持2G、3G和4G网络制式,并且集成了上千万的门。基带芯片的CPU是系统的运算核心和控制中心,用来处理指令和数据,是系统中最活跃的部分,随着基带芯片支持的功能越来越丰富,CPU的数据处理任务也越来越繁重,CPU消耗的能量也越来越高。所以降低基带芯片的CPU的功耗对降低整个芯片的功耗是非常重要的,对促进智能手机的发展也具有非常重要的意义。本文基于这一背景,对基带芯片中的CPU进行了低功耗设计。本文的主要的工作是对一款基于ARM核的手机基带芯片CPU进行了低功耗设计,包含两个单元模块:CPU负载监测单元和电压调节控制单元。设计过程中主要使用了动态电压频率调节技术。设计的主要思想是当CPU的处理任务不繁重的时候,可以通过动态调节其电压和时钟频率来节省功耗。CPU负载监测单元主要用来测量CPU的负载,该单元通过计算每个监测周期内的CPU活跃周期数所占的比例来判断CPU的负荷情况,并根据负荷情况将CPU的性能级别请求信号发送给电压调节控制单元。该单元包括四个子模块:状态监测、状态计算、阈值比较和性能请求。电压调节控制单元主要用来对CPU所在的VDD_CORE电压域进行动态电压和频率调节。该单元对CPU等子模块的性能请求信号进行处理,最终向电压管理单元PMU输出一个电压选择信号,使其为这些子模块产生需要的电压。同时该单元还向时钟产生单元CGU请求各子模块所需的时钟频率,由CGU产生其所需的频率。该单元保证了各个子模块的电压和频率请求变化之后,电路可以正确地做出响应,为各模块提供所需的电压和时钟频率。本文对上述两个单元分别进行了仿真验证,仿真结果证明了这两个单元功能的正确性。该基带芯片流片后的测试数据表明,芯片的功耗降低了近60%。测试结果说明这两个单元实现了对基带芯片CPU的动态电压频率调节,有效地降低了CPU的功耗,对降低基带芯片整体功耗有重要的意义。
【关键词】：基带芯片 CPU 动态电压频率调节 低功耗
【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】：2016
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 符号对照表10-11
• 缩略语对照表11-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 选题背景15
• 1.2 集成电路的研究现状15-16
• 1.3 低功耗的研究意义16-17
• 1.4 本文内容安排17-19
• 第二章 CMOS电路低功耗设计原理19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 CMOS电路功耗产生19-22
• 2.2.1 动态功耗19-21
• 2.2.2 静态功耗21-22
• 2.3 CMOS电路功耗的优化22-23
• 2.3.1 动态功耗的优化22-23
• 2.3.2 静态功耗的优化23
• 2.4 低功耗设计层次23-24
• 2.5 本章小节24-25
• 第三章 基带芯片中的低功耗设计25-35
• 3.1 基带芯片简介25-27
• 3.1.1 基于ARM的SOC架构25-26
• 3.1.2 基带芯片架构26-27
• 3.2 基带芯片低功耗设计技术27-33
• 3.2.1 多电压域技术27-29
• 3.2.2 门控时钟技术29
• 3.2.3 门控电源技术29-32
• 3.2.4 动态电压频率调节技术32-33
• 3.3 本章小节33-35
• 第四章 基带芯片中CPU的低功耗设计35-59
• 4.1 CPU负载监测单元35-40
• 4.1.1 状态监测（Time tracking）模块36-37
• 4.1.2 状态计算（Averaging）模块37-38
• 4.1.3 阈值比较（Threshold checking）模块38-39
• 4.1.4 性能请求（Performance tracking）模块39-40
• 4.2 CPU负载监测单元的验证40-47
• 4.2.1 验证步骤及环境41-42
• 4.2.2 测试平台的搭建42-43
• 4.2.3 测试用例的编写43-44
• 4.2.4 CPU负载监测单元的仿真44-47
• 4.3 电压调节控制单元47-55
• 4.3.1 VReq Map模块48-49
• 4.3.2 Wait Clk Ack状态机49-51
• 4.3.3 VStab Gen模块51
• 4.3.4 电压梯度控制状态机51-55
• 4.4 电压调节控制单元的验证55-58
• 4.5 本章小节58-59
• 第五章 总结59-61
• 参考文献61-63
• 致谢63-65
• 作者简介65-66

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