基于低功耗优化技术的16位MCU设计

发布时间：2017-04-30 15:00

  本文关键词：基于低功耗优化技术的16位MCU设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,MCU在微控制系统当中的应用不断拓展,微控制系统尤其是便携式测量系统,对MCU的功耗要求越来越严格。随着集成度和速度的提高,MCU的处理功能和性能不断提升,MCU的功耗成为限制应用的主要问题,因此如何有效降低功耗己经成为设计中面临的主要问题。论文的主要研究工作为:将低功耗优化技术应用到MCU设计当中,并给出了一款超低功耗MCU芯片SH6601的低功耗设计过程。首先,论文对数字集成电路功耗的来源和针对不同来源采取不同的优化方法进行了研究,分别从系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑门级、版图级以及电路级分析了低功耗的优化方法,并选用合适的优化方法,将其应用到MCU的设计之中;其次,论文给出了MCU的系统架构和功能模块的低功耗设计,涵盖了系统架构设计、系统软硬件划分、芯片时钟技术、DMA控制器设计以及操作数隔离技术等,设计并验证了采用低功耗技术的模式控制器和时钟控制器;最后,论文对采用不同优化手段前后芯片的功耗进行了对比,其中包括采用门控时钟前后功耗对比,采用操作数隔离前后功耗对比,以及采用软硬件实现CRC的功耗对比,并给出了不同模式下芯片实测功耗。芯片设计的主要研究结果为:1.对MCU系统架构进行了研究。针对MCU设计要求,采用具有哈佛结构及流水线结构的80251内核,集成了硬件随机数发生器以及硬件DES加解密电路,具有高整合度、高抗干扰性、高可靠性和超低功耗的特点;为了提高程序运行速度,支持在RAM中运行程序,并集成中断与复位控制器使CPU能够及时响应不同情况。2.对工作模式控制器与时钟控制器进行了研究。针对工作模式控制器,根据不同应用场合设计了三种工作模式:Active模式、Idle模式、Low power模式,可按应用场合来选择工作模式使得功耗最低;针对时钟控制器,根据应用情况与芯片性能要求选择了最高16MHz时钟模块与32KHz晶振,实现了系统时钟的稳定输出与无毛刺切换。3.对低功耗优化方法的优化效果进行了研究。通过仿真初步验证了低功耗优化方法在MCU设计当中对功耗的影响,其中采用寄存器级门控时钟降低了系统功耗的17.5%,采用操作数隔离降低了系统功耗的15%,硬件实现CRC算法比软件实现CRC算法节省了50倍运算时间。4.该芯片采用TSMC 0.18μm工艺库,已经通过流片,功耗测试结果为,Low power模式:最低为0.6μA@3V,Idle模式:40μA/MHz@3V,Active模式:260μA/MHz@3V,满足设计指标,实测结果验证了该设计方法的可行性和有效性。
【关键词】：MCU 低功耗设计 门控时钟 空闲模式 低功耗模式
【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】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-16
• 第一章 绪论16-20
• 1.1 数字集成电路低功耗设计的背景及意义16
• 1.2 数字集成电路的低功耗优化方法16-17
• 1.3 本论文研究内容与结构安排17-18
• 1.4 本章小结18-20
• 第二章 功耗分析与低功耗优化技术20-30
• 2.1 功耗的来源20-22
• 2.1.1 充放电功耗20-21
• 2.1.2 短路电流功耗21
• 2.1.3 漏电流功耗21-22
• 2.2 降低功耗的基本途径22-23
• 2.2.1 降低工作电压22-23
• 2.2.2 减小负载电容23
• 2.2.3 降低开关活动性23
• 2.2.4 降低时钟频率23
• 2.3 数字集成电路的低功耗优化技术23-29
• 2.3.1 工艺级低功耗优化技术23-24
• 2.3.2 版图级低功耗优化技术24
• 2.3.3 电路级低功耗优化技术24-25
• 2.3.4 逻辑门级低功耗优化技术25-27
• 2.3.5 寄存器传输级低功耗优化技术27
• 2.3.6 算法级低功耗优化技术27-29
• 2.3.7 系统级低功耗优化技术29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 16位超低功耗MCU设计30-42
• 3.1 超低功耗MCU系统架构与主要功能模块30-37
• 3.1.1 增强型流水线80251内核31-32
• 3.1.2 工作模式控制器32-33
• 3.1.3 flash与RAM存储器33
• 3.1.4 输入输出端33-34
• 3.1.5 时钟控制器34
• 3.1.6 中断控制器34-36
• 3.1.7 复位控制寄存器36-37
• 3.2 低功耗设计思路37-40
• 3.2.1 系统架构的选择37
• 3.2.2 芯片时钟的选择37-38
• 3.2.3 系统软硬件实现划分38
• 3.2.4 集成DMA控制器38-40
• 3.2.5 采用门控时钟40
• 3.2.6 采用操作数隔离40
• 3.3 本章小结40-42
• 第四章 MCU中关键模块的设计与验证42-58
• 4.1 工作模式控制器设计与验证42-46
• 4.1.1 空闲模式43-44
• 4.1.2 超低功耗模式44-45
• 4.1.3 仿真验证45-46
• 4.2 时钟控制器设计与验证46-57
• 4.2.1 时钟稳定输出设计46-48
• 4.2.2 时钟无毛刺切换设计48-51
• 4.2.3 模块级门控时钟51-52
• 4.2.4 控制寄存器设计52-55
• 4.2.5 仿真验证55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第五章 功耗对比与芯片实测功耗58-68
• 5.1 采用门控时钟功耗对比58-60
• 5.2 采用操作数隔离功耗对比60-61
• 5.3 软件实现CRC与硬件实现CRC功耗对比61-64
• 5.3.1 CRC软件实现方法62
• 5.3.2 CRC硬件实现方法62-63
• 5.3.3 仿真结果对比63-64
• 5.4 芯片实测功耗64-66
• 5.5 本章小结66-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-74
• 作者简介74-75

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