常用微处理器的低功耗设计技术介绍

随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛。节能是全球化的热潮，如计算机里的许多芯片过去用5V供电，现在用3.3V、1.8V，并提出了绿色系统的概念。很多厂商很注重微控制器的低功耗问题。电路与系统的低功耗设计一直都是电子工程技术人员设计时需要考虑的重要因素。

目前的低功耗设计主要从芯片设计和系统设计两个方面考虑。随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。为了使产品更具竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。而微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有重要的意义。在嵌入式系统的设计中，低功耗设计(Low-Power Design)是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。

微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解它的功耗来源。其中时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Memory)，控制部分和输入/输出(Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。CMOS电路功耗主要由3部分组成：电路电容充放电引起的动态功耗，结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中，动态功耗是最主要的，占了总功耗的90%以上。常用的低功耗设计技术低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言，包括自系统级的所有抽象层次。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。

动态电压调节动态功耗与工作电压的平方成正比，功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低，因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是，仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大，执行时间变长。然而，系统负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS(Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式，从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下，工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS，需要采用电压调度模块来实时改变工作电压，电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。

在早期的IC设计中，关注的参数主要是性能(timing)和面积(area)。EDA工具在满足性能要求的情况下，最小化面积。此时，功耗是一个不怎么被关心的问题。因为CMOS工艺在相对较低的时钟频率下具有相当低的功耗，漏电流可忽略不计。随着晶体管密度和时钟频率的提高，CMOS工艺的静态功耗也大幅增加。同时，电源电压和阈值电压的降低导致漏电流增加。这些因素使得功耗成为影响性能和面积的关键参数，功耗问题变得和性能/面积一样重要了。

功耗过高会带来多方面的负面影响。导致芯片温度升高，需要使用更贵的陶瓷封装和散热系统。温度过高还会降低芯片的可靠性和寿命。缩短便携式设备的电池续航时间。随着功能的增加，电池技术已经跟不上功耗的需求。增加大规模使用电子设备的供电成本和环境负担。即使微小的功耗降低也可以为用户节省大量的费用和资源。IC设计中要考虑动态功耗和静态功耗。动态功耗是晶体管开关时消耗的功耗，与时钟频率和开关活动有关。静态功耗是晶体管泄漏电流造成的功耗，与时钟频率或开关活动无关。动态功耗由开关功耗和短路功耗组成。开关功耗是电路负载电容充放电时消耗的功耗。短路功耗是电路逻辑状态变化时流过PMOS管-NMOS管的短路电流消耗的功耗。低功耗集成电路(IC)设计是现代电子产品的一个重要方面，因为它可以延长电池使用寿命并降低设备的能耗。随着电池供电设备市场的不断增长，芯片设计人员有必要认真考虑采用不同的方法来降低IC的功耗。有几种方法可用于降低IC的静态和动态功耗，直流电流和泄漏电流是静态功耗的来源，而动态功耗与频率有关，它来自晶体管开关和短路功耗。为了创建低功耗设计，设计人员必须减少产生整体功耗的每个单独功率组件。同时显示了动态和静态功耗特性，互补金属氧化物半导体(CMOS)逆变器的动态充电使功耗与时钟频率成正比，晶体管在无活动时的功率泄漏会构成静态功耗。低功耗设计人员可以通过控制供电电压、降低电路复杂性和时钟频率、监控直流电流源和开关节点的电容来降低总功耗。所有因素都相互关联，因此设计人员必须通过测试和使用低功耗设计方法来优化设计性能，从而在这些因素之间进行权衡。

众所周知，随着芯片规模的扩大和功能的日益多样化，以及移动应用市场的旺盛需求，低功耗芯片设计已逐渐成为行业的主流趋势。在此，我们结合多年的低功耗设计实践经验，总结并分享一些理念与方法。通过理论学习，我们了解到功耗主要分为动态功耗和静态功耗两大类。接下来，我们将深入探讨动态功耗的计算公式，该公式由切换功耗和内部功耗两部分组成。其中，切换功耗的计算方法为：由此可知，动态功耗与频率、关断时的负载电容以及电压的平方密切相关，成正比关系。换句话说，我们可以通过调整频率、负载电容和电压来控制动态功耗的大小。同时，内部功耗的计算公式为：这里的tsc代表NMOS/PMOS内部短路的时间，而Ipeak则涵盖了整个短路电流与导通电流的总和。低功耗设计不仅是一套系统的理论，更涉及原理理解、代码编写、UPF应用、综合流程规划等多个环节。每个环节的细微改进，都能为整体功耗优化带来积极影响。因此，我们应当时刻关注并致力于每一个优化细节，以实现更加节能高效的芯片设计。