CN101145757A - 基于电压供给调制振荡器频率的方法和电力管理体系结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于基于电压供给调制逻辑时钟振荡器频率的方法和系统。所述系统包括具有逻辑操作的逻辑单元,以及产生自调节时钟以便与所述逻辑操作相匹配的设备。所述设备被配置以使用供给电压作为独立变量以便对于电压变化优化设备参数。
Description
技术领域
本发明涉及用于基于电压供给调制频率的方法和系统,并且更特别地,涉及基于电压供给调制振荡器频率的方法和电力管理体系结构。
背景技术
对于在低或超低电力环境中的操作而言,重要的是能够在可变电力供给下操作。低电力环境的例子包括射频识别(RFID)应用,以及测量结构中的振动的设备。在这样的设备中,并非罕见的是从例如像光、振动等这样的外部源收集有限和间歇数量的能量。在保持波形因数(form factor)和低成本的尝试中,该设备并不具有典型的电源,例如,AC(交流)适配器、电池、大电容器或其它蓄电设备(supply storage device)。由于在这些设备中缺乏任何典型的电源,可用电力与供给电压一样是间歇的,并且因而,必须改变逻辑时钟频率来满足时序。
控制负载(逻辑)以便高效使用电压供给变化是复杂的,并且在该复杂控制中所使用的工艺和电路消耗能量。独立地控制电压和频率需要这样的处理器(或状态机)定序(sequencing),即该处理器(或状态机)定序确保所有的频率设置都可以由对应的电压支持。另外,在具有不精确容差(inexact tolerance)的环境中使用该类型的控制会造成对可用电力的低效使用。
更具体地,在已知的系统中,有必要构建频率查找表,其包括支持相应电压的频率的列表。然而,因为电压与频率之间的关系不是直观函数,即频率和电压不具有线性关系,所以构建这样的查找表并非无足轻重的任务。为了构建查找表,因而有必要在不同电压对每个电路进行复杂的时序分析以确定相应的频率。然后,该时序分析可以用于创建频率查找表。
同样,状态机或处理器可以用于确定所需要的电压/频率关系。然而,状态机或处理器的使用在电力消耗上是非常昂贵的。当然,这将降低设备的整体性能。同样,状态机的使用是非常复杂的,因为其需要许多电路技术。
借助于更具体的例子,在当前的系统中,对于当前给定性能电力消耗,为了最小化电力,两种控制是必要的,电压和时钟频率。该控制可以是内部或外部的。必须小心控制电压和时钟频率以确保时钟频率可以由任意给定电压支持。如图1所示,内部或外部控制向DAC和分频器提供控制。在该例中,逻辑芯片由可编程电源驱动。当希望低电力操作时(权衡最大性能),可以(通过振荡器/分频器)降低时钟频率,而这又允许降低电力供给。在这样的系统中,在不首先降低时钟频率的情况下,不能够降低供给电压。如果在不首先降低时钟频率的情况下降低了供给电压,则将不满足时序。在这样的已知系统中,振荡器频率并不跟踪电源;而是通过受控逻辑和外部逻辑控制器来控制电源和/或振荡器/分频器。
发明内容
在本发明的第一方面,一种用于基于电压供给调制振荡器频率的系统包括:具有逻辑操作频率的逻辑单元,以及产生自调节时钟以便与所述逻辑操作频率相匹配的设备。所述设备被配置以使用供给电压作为独立变量,以便对所述供给电压中的不同电压变化优化设备参数。
在本发明的另一方面,一种系统包括:具有逻辑操作频率的逻辑单元,以及仅使用供给电压作为控制变量来优化频率以便与所述逻辑单元的逻辑操作充分匹配的模块。
在本发明的又一方面,一种用于确定电路中最慢路径的方法包括:对于从Vmin到Vmax,找到具有最坏情况余量(worst case slack)的路径,以及提取和保存所述具有最坏情况余量的路径的路径数据。当找到最后的工艺拐点(process corner)并且VDD=Vmax时,该工艺创建并且放置反馈参考路径到所述电路中。
附图说明
图1表示需要两点控制的常规系统;
图2根据本发明的实施例示出了示例性控制流程图;
图3根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图4根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图5根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图6依照本发明的实施例示出了使用倍频器的示例性时序;
图7根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图8根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图9根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图10根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;
图11示出了在流水线定时(pipeline clocking)中时钟之间的异相校准(out of phase alignment);
图12根据本发明的实施例示出了示例性电路布图;以及
图13是实现根据本发明的实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于基于电压供给调制频率的方法和系统,并且更特别地,涉及基于电压供给调制振荡器频率的方法和电力管理体系结构。本发明的系统和方法降低了复杂度以及消耗能量的附加控制电路。本发明的系统和方法还对控制消除了很多不精确容差,这些不精确容差减弱了对电力的高效使用。
在实施例中,本发明的系统和方法被配置以便以模拟设备操作的方式、基于供给电压调制振荡器的频率。借助于例子,振荡器(频率/电源)的传递函数(transfer function)可以是具有参考电路/路径以便跟踪设备参数的闭环或者开环(编程于振荡器电路中)。
在实施例中,如下文较为详细讨论的,存在若干选项以实现在设计、时序分析和时序优化方面具有各种复杂度级别的本发明的功能性。例如,本发明包括:
(i)在开环系统中,监控供给电压并且选择对应的频率(算法/表驱动);
(ii)驱动系统时钟的环形振荡器(RO),其中RO正流出(run off)与逻辑相同的供给;
(iii)作为(ii)的细化,在RO中复制“慢速路径(slow path)”;
(iv)作为(iii)的细化,基于供给电压将多个“慢速”路径接入RO;
(v)作为(vi)的细化,自动选择最慢路径;
(vi)作为(v)的细化,基于时钟相位或跃迁方向(transitiondirection)选择最慢路径;和/或
(vii)作为(v)或(vi)的细化,在跟踪关键路径(critical path)的操作时,抽样逻辑可以被移近将要被监控或者驱动不同电力岛上的振荡器的电路。
图2示出了实现本发明实施例的、说明性的一般流程图。图2(以及文中所描述的其它流程图)可以同样代表本发明的高级框图。图2(以及文中所描述的其它流程图)的步骤可以从客户机服务器关系中的服务器实现和执行,或者它们可以在具有传送到用户工作站的操作信息的用户工作站上运行。另外,本发明可以采取全硬件实施例、全软件实施例或既含硬件又含软件元素的实施例的形式。
在实施例中,以软件实现本发明,其包括但不限于固件、常驻软件、微码等。另外,本发明可以采取可访问于计算机可用或计算机可读介质的计算机程序产品的形式,该计算机可用或计算机可读介质提供由计算机或任何指令执行系统使用的或者与计算机或任何指令执行系统结合使用的程序代码。对于该描述来说,计算机可用或计算机可读介质可以是能够容纳、存储、通信、传播或传送由指令执行系统、体系或设备使用的或者与指令执行系统、体系或设备结合使用的程序的任何体系。介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或体系或设备)或者传播介质。计算机可读介质的例子包括半导体或固态存储器、磁带、可装卸计算机磁盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前的例子包括只读光盘存储器(CD-ROM)、读/写光盘(CD-R/W)和DVD。
返回参照图2,在步骤200,做出降低由设备消耗的电力的决策。在步骤205,依照本发明改变电压。类似地,在步骤210,做出提高由设备消耗的电力的决策。在步骤215,依照本发明改变电压。如所示出的,由于频率是依照本发明而被自动改变的,因此可以在不涉及频率查找的情况下改变电压,并且同样地,也不存在对常规系统中所指出的复杂电路或其它缺点的要求。
图3示出了可用于实现本发明的方面的示例性电路布图。图3的电路布图100被提供作为说明性例子。因此,本领域的普通技术人员应当理解其它的电路布图也可以用于实现本发明。在示例性电路布图100中,时钟频率由可用电力(电压)直接控制。在该实现中,本发明包括驱动系统时钟(逻辑单元)110的压控振荡器(VCO)105,其中VCO传递函数会与逻辑单元110的逻辑操作相匹配。在实施例中,将传递函数设计到VCO电路中。可选地,直接从VCO105可以测量电压并且使用表来选择合适的频率。
更具体地,在图3所示出的实施例中,电路100对于给定性能简化了控制并且最小化电力。以这种方式,使用VCO105固有的供给电压/频率关系,通过Vdd提供对用于系统的VCO频率的控制的设计。该实施例还利用了单片VCO105与逻辑单元110之间耦合的性能(延迟和频率)。如本领域的普通技术人员在阅读和理解了本公开之后可以实现的那样,将VCO105与逻辑单元110之间延迟和频率的耦合设计到用于优化电力性能的电路中。因而,使用本发明的系统,可以基于Vdd调节频率,例如,Vdd的减小将导致频率的减小,以及Vdd的增大将导致频率的增大。
图4依照本发明示出了另一示例性电路布图。在该实现中,环形振荡器(RO)115用于实现本发明。在该实现中,RO115可以包括一系列变换器(invertor),其对于给定电压会使振荡器频率与逻辑单元110的速度相匹配。也就是说,在实现中,仅使用供给电压作为变量,RO115将会在与逻辑单元110相同或大致相同的频率成环(ring)。
在图4的实施例中,
Cycle Time(周期时间)=Tlongest path(最长路径)+guardband(防护带)。在实现中,周期时间是锁存器到锁存器(latch to latch)延迟,Tlongest path是最长逻辑路径,其将充当限制因子,并且防护带是配线中的延迟。最长逻辑路径将在RO115上设置限制以使其本身决不运行得比电路快。本领域的技术人员应当理解到,逻辑对于给定电压应当尽可能的快,但是不应当比对于给定电压的给定频率更快。在实施例中,最长路径是通过从逻辑单元110复制设计数据并将其插入RO115中而创建的。
图5依照本发明示出了另一示例性电路布图。在该实现中,RO115具有一般标为参考数字118的“慢速路径”反馈。更特别地是,在图4的RO的变体中,该实施例使用在时序分析中找到的最长路径来创建将跟踪实际电路的复制路径118。在图5所示出的实施例中,路径118复制于在时序分析中找到的最坏情况路径。以这种方式,通过添加反馈路径(例如,配线)118到RO115,就有可能将附加延迟添加到电路中。
反馈路径118(或RO115)可以包括被设计成对诸如沟道长度(或叠加电容(overlap capacitance),或者对特定应用来说关键的其它参数)的关键工艺参数敏感的控制结构,以便进一步调谐RO115。还可以选择在反馈路径118中所使用的电路来跟踪特定工艺参数中的变化(或随时间的性能偏移)。
在实施例中,可以调整或调节(即,通过添加/删除阶段)反馈路径118(或RO115)。这可以数字地、利用熔丝或在设计中物理地完成。如果所希望的是使RO115跟踪特殊的工艺参数,则可以进行该调整/调节以强调特定的敏感性。同样,设想可以接通/断开各种调整选项,各使得RO115对特定的工艺参数敏感。这样的例子包括极短或极长沟道设备、栅电容对比叠加电容,低Vt设备对比高Vt设备,等等。有可能在逻辑路径附近放置参考(例如,RO和反馈路径)以最小化跨芯片差异。此外,如参照图5所示出的,RO115可以包括具有串联的“NAND(与非)”门和“NOR(或非)”门的单个反相器(inverter)(形成奇数个变换器)。这是调谐RO115的众多不同的选项之一。
在任选的实施例中,可以将倍频器120插入到RO115与逻辑单元110之间。在该实施例中,可能已经使RO115变得敏感从而在两倍所需频率成环。但是,通过使用倍频器120,将纠正频率在对于所设计的逻辑单元合适的频率运行。这样应当理解到,在该任选实现中,倍频器120将如图6中所图示的在每个跃迁处提供脉冲。
图7依照本发明示出了另一示例性电路布图。在图7的实施例中,RO115具有可开关的“慢速路径”反馈。在图7的实施例中,在最慢路径可能不唯一的情况下,可以选择若干路径用于监控,其中将当前条件下的最慢路径接入环形振荡器的反馈循环。在这种情况下,可以在各种电压下使用时序分析以确定最慢路径并且接入其“双重”参考路径。
在图7的实施例中,三条路径,A、B和C,代表可以在时序分析中显现的路径长度和逻辑的不同的混合。在该例中,路径“A”代表由逻辑延迟所支配的长路径,路径“B”代表由连线长度所支配的路径,而路径“C”代表作为路径“A”和路径“B”的混合的路径。可以从供给电压上的最坏情况时序拐点(timing corner)选择路径“A”、“B”和“C”。在这样的情形下,抽样/数字化供给电压并且基于电源电压选择正确的反馈路径。在该例中,由于电路被配置以在开关之前等待所有路径积累,因此会自动选择最坏情况路径。在任选的实施例中,可以将倍频器120插入到RO115与逻辑单元110之间。
图8依照本发明示出了另一示例性电路布图。在图8的实施例中,通过使用逻辑来检测最慢路径,可以消除对“关键”路径的切换。在该例中,在RO115与逻辑单元110之间的路径中提供置位/复位锁存器125。在任选的实施例中,可以将倍频器120插入到置位/复位锁存器125与逻辑单元110之间。
在置位(S)的输入处是“AND(与)”门130,并且在复位(R)的输入处是“NOR(非或)”门135。因而,“AND”门130的输出将提供信号给置位(S),并且在“NOR”门135的输出处将提供给复位(R)的信号。在某种参数组合的情况下将三条路径,A、B、C,选为是关键的。在该实施例中,将关键路径的上升沿提供给“AND”门130,从而使得最慢路径控制“AND”门130到置位/复位锁存器125的输出。当最后的路径产生由低到高的跃迁时,置位/复位锁存器125的输出变高。同样地,在负跃迁(negative transition)时,所有路径都必须是“0”,以便满足对置位/复位锁存器125的“NOR”(否定的“OR”)变低。因此,“NOR”门135的输出是“1”,并且置位/复位锁存器125的复位功能将信号复位为“0”。另一方面,“AND”门130的输出是“0”,并且置位/复位锁存器125的置位功能输出“0”。因而,如应当理解到的,AND/OR门提供了关于最慢跃迁的信息,并且置位/复位锁存器125可以区分出上升沿和下降沿。
图9依照本发明示出了另一示例性电路布图。在图9的实施例中,可以如上所述来选择基于跃迁方向具有最慢路径反馈的RO。例如,任选地,可以基于时钟相位或跃迁敏感性来选择路径。可以发现一些路径仅在时钟的低相位(或“0”>“1”数据跃迁)或者时钟的高相位(或“1”>“0”跃迁)上具有“负余量(negative slack)”。在该情形下,只需要将所关心的边沿抽样为“最坏情况”时序。
在图9的例子中,发现路径“A”在时钟低(上升沿)和时钟高(下降沿)上都具有“最坏情况余量”,因此其被包括在“1”和“0”两条反馈路径上的参考路径中。发现路径“B”仅在时钟高上引起负余量,因此其不被包括在时钟低“最坏情况”时序参考中。仅发现路径“C”在时钟低时具有最坏情况余量,并且其仅被包括在上升沿测试中。
仍然参照图9,在RO115与逻辑单元110之间的路径中提供置位/复位锁存器125。在置位(S)功能的输入处是“AND”门130,并且在复位(R)功能的输入处是“NOR”门135。在该例中,在“AND”门130处的输入路径达到“1”;而在“NOR”门处的输入路径达到“0”。以这样的方式,并且如以上所讨论的,电路可以在其允许时序的最后沿传播通过置位/复位锁存器125之前等待“最坏”路径。因此,在抽样任意数目的路径之后,可以自动和动态地选择最慢路径,因而确保RO115具有总是在最长路径处成环而与电压无关的振荡。
图10依照本发明示出了另一示例性电路布图。更特别而言,参照图10,路径C1a和C1b驱动“AND”门130,并且路径C2a和C2b驱动“NOR”门135。以这样的方式,将路径C1a和C1b馈送至置位/复位锁存器125的置位输入;而将路径C2a和C2b馈送至置位/复位锁存器125的复位输入。在实施例中,将路径C1a、C1b、C2a和C2b中的反相器115a提供至正确的极性。由于变换器的放置和数目(例如,奇数个变换器),在“AND”门130处的输入路径达到“1”,并且在“NOR”门135处的输入路径达到“0”。因此,“NOR”门135的输出是“1”,并且置位/复位锁存器125的复位将信号复位为“0”。因而,如本领域的技术人员应当理解的,复位可以在其输出上将“0”转换为“1”。另一方面,“AND”门130的输出是“0”,并且置位/复位锁存器125的置位输出“0”。
如应当理解到的,在常规的单个电平闩锁(level latch)(透明锁存器(transparent latch))流水线中,如图11所示,在获得合适的时钟负载周期(duty cycle)和频率方面存在固有的问题,即,时钟C2是时钟C1的倒相(inverse),然而对于给定电力的最优频率,这些时钟的负载周期需要在对应的时钟锁存器(C1-锁存器或C2-锁存器)之前与逻辑电路的延迟相关联。为了对流水线定时中的这一固有问题进行弥补,在图10的实施例中,置位/复位锁存器125的输出会通过C1馈送至反相器125a或者通过C2馈送至缓冲器125b。反相器125a会将信号相移180度,以便提供在C1与C2之间具有适当相位关系的时钟速度。该结构允许时钟负载周期以及频率在流水线的每个相位中与单独的电路相匹配。
图12示出了使用图8-10的实施例的置位/复位锁存器125的另一示例性电路布图。在该实施例中,可以将参考电路140a、140b和140c在它们尝试匹配的电路附近跨芯片移动。在这种情况下,参考电路处于分离的电力岛140a、140b和140c中,这些电力岛在任意给定时间可以或可以不施加电力。在实施例中,需要栅栏(fencing)150来将非现用电路从振荡器反馈环路断开。
图13是实现本发明的步骤以确定最坏情况路径的流程图。在步骤1300,设置工艺用于Vdd=Vmin到Vmax。在步骤1305,设置工艺以便找到对于Vmin的慢速拐点以及对于Vmax的快速拐点(或者在Vmin到Vmax之间的Vx的任何拐点)。在步骤1310,对于Vmin到Vmax找到具有最坏情况余量的路径。在步骤1315,对关于是否已经找到与先前对该工艺的实现中相同的路径进行确定。如果未找到相同的路径,那么系统在步骤1320提取和保存路径数据,并且继续到步骤1325。如果在步骤1315找到了相同的路径,则在步骤1325对关于路径是否关联于最后的工艺拐点进行确定。如果其不是,那么工艺返回到步骤1310。如果其是最后的工艺拐点,则在步骤1330对关于是否VDD=Vmax进行确定。如果VDD不等于Vmax,则工艺返回到步骤1300。如果VDD=Vmax,那么工艺在步骤1335创建和放置反馈参考路径。
如现在应当理解的,本发明提供了一种体系结构和方法,其使用VCO或环形振荡器(或类似的结构)来产生对于工艺/电压变化优化的自调节时钟。该体系结构和方法被配置以使用供给电压作为独立变量来管理电力,而同时优化电力/工艺变化上的时钟频率。该体系结构和方法使用被设计成对诸如沟道长度(或叠加电容等)的关键工艺参数敏感的RO中的电路(门和配线)。该方法包括用于选择在动态电力控制/时钟优化中使用的关键电路(路径)的工艺步骤。可以选择电路来跟踪特定工艺参数中的变化。如果希望的话,可以使用多个反馈路径来确保在全局定时(最慢路径被选择)中顾及跨芯片的工艺变化。可以基于跃迁方向或时钟相位动态地选择路径。另外,可以数字地、利用熔丝或者在设计中物理地调整或调节反馈路径(振荡器反馈路径)。如果所希望的是使振荡器跟踪特殊的工艺参数,则可以完成该调整/调节以强调特定的敏感性。可以接通/断开各种调整选项,各使得振荡器对特定的工艺参数敏感。
虽然已经根据示例性实施例描述了本发明,但是本领域的技术人员可以认识到本发明可以在修改的情况下并且在所附权利要求的精神和范围内实施。
Claims (20)
1.一种用于基于电压供给调制振荡器频率的系统,其包括:
具有逻辑操作频率的逻辑单元;以及
产生自调节时钟以便与所述逻辑操作频率相匹配的设备,所述设备被配置以使用供给电压作为独立变量,以便对于所述供给电压中不同的电压变化优化设备参数。
2.根据权利要求1的系统,其中所述设备是压控振荡器和环形振荡器之一,所述设备参数包括时钟频率,并且所述设备被配置以使用所述供给电压作为对所述时钟频率的控制。
3.根据权利要求2的系统,其中所述压控振荡器具有与所述逻辑操作相匹配的传递函数,并且所述环形振荡器具有与所述逻辑操作相匹配的电路,从而使得频率与所述逻辑单元的速度对于给定电压相匹配。
4.根据权利要求3的系统,其中所述压控振荡器或环形振荡器被放置以最小化跨芯片差异。
5.根据权利要求2的系统,其中所述环形振荡器包括至少一条反馈路径,所述至少一条反馈路径包括被配置成对关键工艺参数敏感的结构。
6.根据权利要求5的系统,其进一步包括用于调整所述至少一条反馈路径以强调特定敏感度的装置。
7.根据权利要求5的系统,其中所述反馈路径是复制于在时序分析中所找到的最坏情况的路径。
8.根据权利要求2的系统,其进一步包括被接入所述环形振荡器的反馈环路中的多条路径。
9.根据权利要求7的系统,其中所述多条路径代表在时序分析中显现的路径长度和逻辑的不同的混合。
10.根据权利要求8的系统,其进一步包括置位/复位锁存器,以便自动选择和切换到所述多条路径的最慢路径。
11.根据权利要求10的系统,其进一步包括输出信号至所述置位/复位锁存器的“置位”功能的“与”门,以及输出信号至所述置位/复位锁存器的“复位”功能的“或非”门,其中
通过使用所述置位/复位锁存器检测所述最慢路径来消除对路径的切换,
将所述路径的上升沿提供给所述“与”门,从而使得所述最慢路径控制所述“与”门的输出,
所述置位/复位锁存器的输出在最后的路径产生由低到高的跃迁时变高,
在负跃迁时,所述路径是“0”以满足用于所述置位/复位锁存器的“或”门变低,以及
所述与门和所述或门提供关于所述最慢路径的信息,并且所述置位/复位锁存器区分上升沿和下降沿。
12.根据权利要求2的系统,其进一步包括位于所述环形振荡器与所述逻辑单元之间的倍频器。
13.根据权利要求2的系统,其中正在驱动系统时钟的环形振荡器正流出与所述逻辑单元相同的供给。
14.一种系统,其包括:
具有逻辑操作频率的逻辑单元;以及
用于仅使用供给电压作为控制变量来优化频率以便与所述逻辑单元的逻辑操作频率充分匹配的装置。
15.根据权利要求14的系统,其中所述装置是压控振荡器和环形振荡器之一,所述压控振荡器具有与所述逻辑操作相匹配的传递函数,并且所述环形振荡器具有与所述逻辑操作相匹配的电路,以便使用单个变量而使频率与所述逻辑单元的速度对于给定电压是匹配的。
16.根据权利要求15的系统,其中所述环形振荡器包括至少一条反馈路径,所述至少一条反馈路径包括被配置成对关键工艺参数敏感的结构。
17.根据权利要求15的系统,其进一步包括被接入所述环形振荡器的反馈环路中的多条路径,所述多条路径代表在时序分析中显现的路径长度和逻辑的不同的混合。
18.根据权利要求17的系统,其进一步包括置位/复位锁存器,以便自动选择和切换到所述多条路径的最慢路径。
19.一种用于确定电路中的最慢路径的方法,其包括:
对于Vmin到Vmax,找到具有最坏情况余量的路径;
提取和保存所述具有最坏情况余量的路径的路径数据;以及
在找到最后的工艺拐点并且VDD=Vmax时,创建并且放置反馈参考路径到所述电路中。
20.根据权利要求19的方法,其进一步包括:设置用于Vdd=Vmin到Vmax的工艺以及用于找到对于Vmin的慢速拐点和对于Vmax的快速拐点的工艺。
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