CN101581962B - 一种降低cpu功耗的方法和一种cpu - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CPU，包括以下部件：存储器，用于存储数据和指令；控制部件，用于控制并协调各个功能部件运行；运算部件，用于完成各种算术和逻辑运算；该CPU还包括：睡眠命令寄存器，用于在CPU处于空闲状态时，依配置生成睡眠触发信号；电源管理模块，用于依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压。本发明能够降低CPU器件在空闲状态的功耗，进而达到节省功耗的目的。

Description

一种降低CPU功耗的方法和一种CPU

技术领域

本发明涉及嵌入式系统技术领域，特别是涉及一种降低CPU功耗的方法，以及一种低功耗的CPU。 

背景技术

CPU应用非常广泛，例如，CPU作为重要器件应用在各种SOC(System On Chip，片上系统)中。在芯片设计和应用中，功耗是一个必须考虑的问题，而CPU作为重要器件，如何降低其功耗也是现有技术一直渴望改进的一个方向。 

电路中耗费的能量可以分为静态功耗和动态功耗。其中，静态功耗源自于晶体管未激活时漏电流，与温度和开关阈值成指数关系。动态功耗是指电容充放电功耗和短路功耗，是由电路的翻转造成的。其中，所述充放电功耗是与时钟频率、电路电压的平方成正比。 

对于传统工艺来说，动态功耗在电路总功耗中占据着很大的比重。随着工艺的发展，器件阈值电压的降低，静态功耗呈指数形式增长。尤其是在进入深亚微米工艺后.静态功耗开始和动态功耗相抗衡，已成为低功耗设计一个不可忽视的因素。 

传统的降低CPU功耗的方法是，如果监测到CPU在一段时间内一直处于空闲状态，就会关闭CPU所有模块的时钟，使整个CPU进入睡眠状态，能够减少动态功耗。但是在CPU处于睡眠状态期间，仍然会消耗大量的静态功耗。 

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创造性地提供一种降低CPU功耗的方法，以降低处于空闲状态的CPU的功耗。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够进一步降低CPU器件 功耗的解决方案以及应用该解决方案的CPU器件，以降低CPU器件在空闲状态的功耗，从而达到节省功耗的目的。 

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种CPU，包括：存储器，用于存储数据和指令；控制部件，用于控制并协调各个功能部件运行；运算部件，用于完成各种算术和逻辑运算； 

还包括：睡眠命令寄存器，用于在CPU处于空闲状态时，根据其中的睡眠命令依配置生成睡眠触发信号；电源管理模块，用于依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压；睡眠定时器，用于配置CPU的唤醒时间，并在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号；所述电源管理模块还用于依据所述定时唤醒信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。 

优选的，所述存储器的供电电压被降低至内部数据维持电压。 

优选的，所述CPU还包括：中断产生模块，用于在获得对CPU的访问请求时，产生中断信号；所述电源管理模块还用于依据所述中断信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。 

优选的，所述睡眠命令寄存器位于所述电源管理模块内部。 

本发明实施例还公开了一种降低CPU功耗的方法，所述CPU包括存储器、控制部件和运算部件，所述的方法包括： 

在CPU处于空闲状态时，根据睡眠命令依配置生成睡眠触发信号； 

依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压。 

所述的方法还包括： 

配置CPU的唤醒时间； 

在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号； 

依据所述定时唤醒信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明在CPU处于空闲状态时，关闭控制部件、运算部件的电源，并将存储器的电源电压降低至低于工作电压。由于在电路总消耗中，动态功耗源于电路翻转，与电路电压的平方成正比，静态功耗源自于晶体管未激活时漏电流，与温度成指数关系，所以在关闭控制部件、运算部件的电源后，控制部件、运算部件不再耗费能量；对于存储器来说，降低供电电压也可以减少其发热量，进而降低动态功耗和静态功耗。总之，本发明不仅能够降低CPU的动态功耗，而且能够极大地降低静态功耗。 

附图说明

图1是本发明一种CPU器件实施例的部件结构示意图； 

图2是本发明一种降低CPU功耗的方法实施例的步骤流程图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明实施例的核心构思之一在于：在CPU处于空闲状态时，关闭控制部件、运算部件的电源，并将存储器的电源电压降低至低于工作电压，从而达到降低CPU功耗的目的。 

参照图1，示出了本发明一种CPU器件实施例的部件结构，具体可以包括： 

存储器101，用于存储数据和指令； 

控制部件102，用于控制并协调各个功能部件运行； 

运算部件103，用于完成各种算术和逻辑运算； 

睡眠命令寄存器104，用于在CPU处于空闲状态时，依配置生成睡眠触发信号； 

电源管理模块105，用于依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压。 

在实际工作中，在当前时钟周期n，如果CPU处于空闲状态，可在预置的时钟周期(如时钟周期n+m，其中n，m为自然数)，向睡眠命令寄存器104写入睡眠命令，一旦睡眠命令被写入，即生成供电源管理模块104使用的睡眠触发信号，由电源管理模块104关闭控制部件102、运算部件103的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压，使整个CPU器件进入深度睡眠状态。 

在所述深度睡眠状态下，控制部件102、运算部件103的电源处于关闭状态，基本没有能量消耗；存储器101的电源处于开启状态，以保持其所存储的数据和指令。为降低存储器101的功耗，本发明实施例还可以将存储器101的供电电压降低至内部数据维持电压，以保证存储器中所存储的内部数据不被丢失。 

公知的是，存储器具有记忆功能，由大量的基本存储电路组成。基本存储电路是用一种具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数的0和1，这种物理器件可以是磁心、半导体器件等。 

以随机存储RAM和只读存储器ROM为例，其中，断电后，ROM中的信息不会丢失。RAM可以分为静态RAM和动态RAM两种。静态RAM的特点是只要存储单元上加有工作电压，它上面存储的信息就会保持。动态RAM由于利用MOS管极间电容保存信息的，因此随着电容的漏电，信息会逐渐丢失，为了补偿信息的丢失，要每隔一定时间对存储单元的信息进行刷新，不论是静态RAM还是动态RAM，当电源电压去掉时，RAM中保存的信息都将会丢失。 

存储器工作电压指内存正常工作所需要的电压值，不同类型的内存其工作电压也不同，但各自均有自己的规格，超出其规格，容易造成内 存损坏。CPU内部存储由于速度的原因目前都采用SRAM，而SRAM的内部数据维持电压可以比正常工作电压低很多，例如分别为1.5V和3.3V。 

在本发明实施例中，对于存储器101来说，其内部数据维持电压也在规格允许的范围内。例如，对于SRAM内存，其内部数据维持电压可取1.5V～3.3V中任一值。内部数据维持电压的取值要根据具体情况确定。 

在具体实现中，存储器101、控制部件102、运算部件103的电源和地线均来自电源管理模块105，由电源管理模块105采用标准工艺单元对控制部件102、运算部件103的进行打开、关闭操作，以及对存储器供电电压进行升降操作。 

在实际中，有一种应用情形是，外部设备对CPU有数据访问请求，或者需要用到CPU某些模块，这时要求将CPU唤醒到工作状态。 

在这种情况下，唤醒过程可以为：首先位于CPU外部的中断产生模块产生中断信号；然后由电源管理模块105依据所述中断信号，开启所述控制部件102以及运算部件103的电源，并将所述控制部件102、运算部件103以及存储器101的供电电压恢复为工作电压。 

与存储器工作电压相似，控制部件102、运算部件103的工作电压也是指CPU正常工作所需的电压。 

在具体实现中，为使CPU可靠复位，可采用上电复位电路(Pow-onReset：POR)为控制部件102、运算部件103上电后提供复位信号。更为可靠起见，在电源稳定后经过一定的延时再撤销复位信号，以防电源开关过程中引起的抖动影响复位。 

对于存储器来说，其供电电压恢复比较简单，只需将其供电电压从内部数据维持电压提高到工作电压即可。以SRAM内存为例，如果处于深度睡眠状态时其内部数据维持电压为1.5V，唤醒时可以将其提高到3.3V。 

还有一种应用情形是，打算在CPU进入深度睡眠状态某个时刻(如4个小时)后将其唤醒。 

在这种情况下，可由位于CPU内部的睡眠定时器来实现唤醒功能。 所述睡眠定时器可用于配置CPU的唤醒时间，并在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号；在检测到所述定时唤醒信号后，电源管理模块105依据所述中断信号，开启所述控制部件102以及运算部件103的电源，并将所述控制部件102、运算部件103以及存储器101的供电电压恢复为工作电压。 

在具体实现中，睡眠定时器(SLEEP TIMER：ST)可以是一个24位的计数器，其驱动时钟为晶振或者RC时钟，可以设置ST的计数时钟是32.768K，向上计数，将当前计数值与一个24位数(配置的CPU唤醒时间)比较以产生定时唤醒信号。 

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下以睡眠定时器的应用情形为例对本实施例进一步说明。 

本例涉及的应用情形为，CPU时钟速率为1GHz，即相当于每秒执行10⁹个时钟周期，在当前时钟周期n，用户运行某程序，准备外出，并打算2小时(2×3600×10⁹＝7200×10⁹个时钟周期)后回来继续运行此程序。 

在离开前，可通过CPU作如下配置： 

A、在时钟周期n+1～时钟周期n+m-1(其中n，m为自然数)，CPU不执行任何操作； 

B、在时钟周期n+m(其中n，m为自然数)，向睡眠命令寄存器104写入命令字(如10H)，所述命令为：电源管理模块105关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压； 

C、从时钟周期n+m+1开始，CPU进入深度睡眠状态； 

D、在时钟周期n+m+7200×10⁹，睡眠定时器产生定时唤醒信号，在检测到所述定时唤醒信号后，电源管理模块105依据所述中断信号，开启所述控制部件102以及运算部件103的电源，并将所述控制部件102、运算部件103以及存储器101的供电电压恢复为工作电压。 

在实际应用中，所述睡眠命令寄存器104可为位于电源管理模块105内部的寄存器，也可为CPU中单独工作的寄存器，本发明对此无需加以 限制。 

图1所示的CPU器件可以应用在各种嵌入式系统开发中。例如，其可以应用到ARM嵌入式系统中，ARM体系结构中一般会采用RISC(精简指令集处理器)结构的CPU。当然，本发明并不限于RISC结构，CISC(复杂指令集处理器)也是可行的。 

参照图2，示出了本发明一种降低CPU功耗的方法实施例，所述CPU包括传输部件和运算及指令逻辑部件，所述方法具体可以包括以下步骤： 

步骤201、在CPU处于空闲状态时，依配置生成睡眠触发信号； 

步骤202、依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压。 

在实际中，所述存储器可用于存储数据和指令，所述控制部件可用于控制并协调各个功能部件运行，所述运算部件可用于完成各种算术和逻辑运算；所述存储器的供电电压被降低至内部数据维持电压。 

在执行完步骤202后，整个CPU器件进入深度睡眠状态。在所述深度睡眠状态下，控制部件、运算部件电源处于关闭状态，基本没有能量消耗；存储器的电源处于开启状态，以保持其所存储的数据和指令。本发明实施例还通过降低存储器的供电电压的途径来降低存储器的功耗，使其在低于工作电压的内部数据维持电压下工作。 

在实际中，有一种应用情形是，在获得对CPU的访问请求时，外界以中断方式唤醒CPU，此时所述方法还可以包括： 

产生中断信号； 

依据所述中断信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。 

还有一种应用情形是，打算在CPU进入轻度睡眠状态某个时刻(如4个小时)后将其唤醒，此时所述方法还可以包括： 

配置CPU的唤醒时间； 

在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号； 

依据所述定时唤醒信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。 

对于方法实施例而言，由于其与图1所示的装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

以上对本发明所提供的一种降低CPU功耗的方法以及一种应用上述方法的CPU器件，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (7)

1.一种CPU，其特征在于，包括：

存储器，用于存储数据和指令；

控制部件，用于控制并协调各个功能部件运行；

运算部件，用于完成各种算术和逻辑运算；

还包括：

睡眠命令寄存器，用于在CPU处于空闲状态时，根据其中的睡眠命令依配置生成睡眠触发信号；

电源管理模块，用于依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压；

睡眠定时器，用于配置CPU的唤醒时间，并在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号；

所述电源管理模块还用于依据所述定时唤醒信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。

2.如权利要求1所述的CPU，其特征在于，所述存储器的供电电压被降低至内部数据维持电压。

3.如权利要求1所述的CPU，其特征在于，还包括：

中断产生模块，用于在获得对CPU的访问请求时，产生中断信号；

所述电源管理模块还用于依据所述中断信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。

4.如权利要求1所述的CPU，其特征在于，所述睡眠命令寄存器位于所述电源管理模块内部。

5.一种降低CPU功耗的方法，所述CPU包括存储器、控制部件和运算部件，其特征在于，包括：

在CPU处于空闲状态时，根据睡眠命令依配置生成睡眠触发信号；

依据所述睡眠触发信号，关闭所述控制部件、运算部件的电源，并将所述存储器的供电电压降低至低于工作电压；

所述的方法还包括：

配置CPU的唤醒时间；

在所述唤醒时间到达时，产生定时唤醒信号；

依据所述定时唤醒信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括：所述存储器的供电电压被降低至内部数据维持电压。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

在获得对CPU的访问请求时，产生中断信号；

依据所述中断信号，开启所述控制部件以及运算部件的电源，并将所述控制部件、运算部件以及存储器的供电电压恢复为工作电压。

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