CN102156899B - Rfid标签芯片时钟管理单元 - Google Patents

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胡建国
郑俊辉
王德明
张俊
谭洪舟
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GUANGZHOU SYSUR MICROELECTRONICS Inc
National Sun Yat Sen University
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Abstract

本发明公开了一种降低RFID标签芯片功耗和峰值功耗的RFID标签芯片时钟管理单元，它包括主状态机、计数器和数个门控时钟单元。其中，主状态机对标签芯片的各功能单元的状态进行分析，判断哪些瞬间多个功能单元被同时唤醒，多个操作被同时执行，哪些功能单元还不需要用到，将可以停止工作的功能单元的时钟使能信号置零，将相互独立的，但导致寄存器同时翻转的数个功能单元的操作分离开；计数器用于协助对输入的信号进行控制，并协助主状态机将相互独立，但导致寄存器同时翻转的功能单元的操作一些提前数个时钟，一些推后数个时钟；门控时钟单元对各功能单元的使能信号和系统时钟信号进行例化处理，将例化后的输出时钟作为控制各功能单元动作的控制时钟。

Description

RFID标签芯片时钟管理单元
技术领域
本发明涉及一种RFID标签芯片时钟管理单元，具体来说，涉及一种能够控制降低RFID标签芯片功耗及峰值功耗的RFID标签芯片时钟管理单元。
背景技术
在芯片设计过程中，随着工作频率的提高及系统模块的扩大，芯片总功耗增大带来了很多负面影响，它直接导致了严重的散热问题，极大地限制了系统性能的提升。
RFID标签芯片的供电来自阅读器端持续提供的感应磁场，低功耗的要求更加显而易见，与此同时，峰值功耗如果过大，会瞬间拉低芯片的工作电压，使开关管发生错误翻转，甚至中断RFID的通讯过程，导致无法估计的致命错误，如何降低平均功耗及峰值功耗，是RFID标签芯片设计的关键问题。
已有的降低功耗的方法，在电路设计底层中，是采用提升晶体管的阈值电压，以减少漏电流，降低静态功耗来实现，尽管这种方法可以降低功耗，但由于模块的工作大部分由前端决定，在RFID标签芯片设计过程中，电路底层降低功耗的效果很不明显。
在前端设计过程中，有意识地甄别那些不需要工作的模块，通过门控时钟单元迫使其暂停工作，这也是降功耗的方法，但门控时钟单元只能降低各模块的平均功耗。在RFID标签芯片中，很多模块都同时被触发而同时工作，各模块都会有功耗产生，门控时钟单元的引入，使得平均功耗降下来了，但峰值功耗依旧降不下来。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种控制降低RFID标签芯片功耗及峰值功耗的RFID标签芯片时钟管理单元，它包括对标签芯片的各功能单元的状态进行分析，并根据分析结果对各功能单元合理分配时钟信号的主状态机；用于协助对输入的信号进行控制的计数器；对各功能单元的使能信号和系统时钟信号进行例化处理，将例化后的输出时钟作为控制各功能单元动作的控制时钟的门控时钟单元。
所述主状态机对标签芯片的各功能单元的状态分析操作包括：判断哪些时刻多个功能单元被同时唤醒，多个操作被同时执行；判断哪些功能单元还不需要用到。
所述主状态机将可以停止工作的功能单元的时钟使能信号置零；将相互独立的，但导致寄存器同时翻转的数个功能单元的操作分离开。
所述计数器将相互独立的，但导致寄存器同时翻转的功能单元的操作一些提前数个时钟时间，一些推后数个时钟时间。
所述输入的信号包括标志信号、使能信号和系统时钟信号。
本发明的有益效果： RFID系统的输入信号经过本发明的主状态机进行分析处理，将使能信号与时钟信号一同送入门控时钟单元进行例化，将最后的时钟输出分别送至不同模块。这样通过该单元对系统时钟进行控制，可以及时关闭不需要工作的模块的时钟，同时有效地错开系统各种运算操作产生峰值电流的时刻，进而显著地降低平均功耗及峰值功耗。
附图说明
图1为本发明RFID标签芯片时钟管理单元的功能框架图；
图2为本发明与RFID标签芯片的整体接口结构示意图；
图3为本发明实施例的内部信号连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
如图1所示，本发明的RFID标签芯片时钟管理单元包括主状态机、计数器和数个门控时钟单元。如图2所示，外部射频信号通过天线的两个端口输入到RF模块，通过RF模块解调出时钟信号与数据信号，时钟信号直接输入至时钟管理单元，数据信号通过解码模块输入至主控模块，主控模块与存储器模块、安全模块、随机数等模块通过总线进行数据通信，同时这些模块的工作状态变量作为输入信号接入至时钟管理单元。时钟管理单元输出时钟信号，直接连至各模块，作为各个模块的工作时钟。
其中，主状态机对各功能单元（功能模块）的状态进行分析，把可以停止工作的模块的时钟使能信号置零，同时将独立的但导致寄存器同时翻转的操作分离开，将各个模块的使能信号一些提前一两个时钟，一些推后一两个时钟。主状态机有多个状态，依系统具体模块的多少及操作的数目而设定，由于寄存器在时钟不发生翻转时可以保持其原来的值，故时钟提前或推后一两个时钟并不会影响到系统的功能。
为了保证系统能够无错误地运行，时钟管理单元中包括一个计数器，计数器连接系统时钟持续工作，由于计数器的电路规模不大，其带来的功耗不会大，因为一些状态变量不足以正常指示时钟管理单元的工作，故引入该计数器，在状态机中用计数器的值协助对信号进行控制。同时协助主状态机将相互独立的，但导致寄存器同时翻转的各功能单元的操作一些提前数个时钟，一些推后数个时钟。
各功能单元的使能信号作为输入，再通过门控时钟单元进行例化，门控时钟单元的另一输入为系统时钟，其输出时钟直接接至各模块作为模块的输入时钟，各模块就在该时钟下工作。
本发明RFID标签芯片时钟管理单元的工作过程为：
首先，对RFID标签芯片的功耗进行分析，分析出几个较大的瞬时峰值功耗产生的时刻，详细地记录其主要功耗的组成，看看其中哪些瞬间多个功能单元被同时唤醒，多个操作被同时执行，哪些功能单元还不需要用到。分析后，我们将其中可以停止工作的模块，以及独立的可分开的运算操作记录下来，并把其工作状态变量作为输出送至时钟管理单元的输入端口作为状态控制变量。
其次，对于两个可以将其独立开来的操作的分析：例如读存储模块及主控模块的计算操作，它们在同一时刻进行被唤起，这两个操作一旦一起开始工作瞬间，便会产生极高的峰值电流。但假若我们将这两个操作分开启动，例如先进行读存储器操作，一个时钟周期后再进行计算操作。这样的话，产生高电流的时刻电流值被一分为二，便大大降低了峰值功耗。   
具体操作为：如图3所示，我们将读存储器操作启动信号A作为变量输入时钟管理单元，在主状态机中，一旦判断到信号A发生跳变，从非使能状态进入使能状态，则将标志位FLAG_A清零。一个时钟后再将标志位FLAG_A置位，将FLAG_A与读存储器的使能信号EN_A进行与逻辑操作后再输入到触发器的D输入端，系统时钟同时通过一个反相器后输入至触发器，作为触发器的时钟。D触发器的输出信号与系统时钟同时输入一个二输入与门，与门输出结果作为模块的时钟信号直接接至存储器模块的时钟输入端接入到存储器中。如此做，则一来存储器模块的使能信号较不加入时钟管理单元是没有变化的，变化的只有存储器模块的时钟信号，但由于此时FLAG_A为低电平，使得门控时钟单元的输出不发生跳变一个时钟。在存储器模块看来，只不过是时钟周期被瞬间拉长了一点，等下个周期到来时，存储器模块可以正常操作。
根据以上的说明，根据时钟管理单元以及门控时钟单元，各种逻辑操作叠加产生的峰值功耗被分成不同时刻操作产生的功耗，峰值功耗不叠加，可以大幅度降低系统的峰值功耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (3)

1.一种RFID标签芯片时钟管理单元，它包括：
对标签芯片的各功能单元的状态进行分析，并根据分析结果对各功能单元合理分配时钟信号的主状态机；
用于协助对输入的信号进行控制的计数器；
对各功能单元的使能信号和系统时钟信号进行例化处理，将例化后的输出时钟作为控制各功能单元动作的控制时钟的门控时钟单元，
其特征在于，所述RFID标签芯片时钟管理单元的工作过程为：
首先，利用主状态机对RFID标签芯片的功耗进行分析，分析出几个较大的瞬时峰值功耗产生的时刻，记录其主要功耗的组成，判断其中哪些瞬间多个功能单元被同时唤醒，多个操作被同时执行，哪些功能单元还不需要用到，分析后，将其中可以停止工作的模块，以及独立的可分开的运算操作记录下来，并把其工作状态变量作为输出送至时钟管理单元的输入端口作为状态控制变量；
然后，对于两个可以将其独立开来的操作分开启动，
具体操作为：将读存储器操作启动信号A作为变量输入时钟管理单元，在主状态机中，一旦判断到信号A发生跳变，从非使能状态进入使能状态，则将标志位FLAG_A清零；一个时钟后再将标志位FLAG_A置位，将FLAG_A与读存储器的使能信号EN_A进行与逻辑操作后再输入到触发器的D输入端，系统时钟同时通过一个反相器后输入至触发器，作为触发器的时钟；触发器的输出信号与系统时钟同时输入一个二输入与门，与门输出结果作为存储器模块的时钟信号直接接至存储器模块的时钟输入端接入到存储器中，存储器模块的使能信号较不加入时钟管理单元是没有变化的，变化的只有存储器模块的时钟信号，此时FLAG_A为低电平，使得门控时钟单元的输出不发生跳变一个时钟，存储器模块的时钟周期被瞬间拉长了一点，等下个周期到来时，存储器模块可以正常操作。
2.根据权利要求要求1所述的RFID标签芯片时钟管理单元，其特征在于，所述计数器将相互独立的，但导致寄存器同时翻转的功能单元的操作一些提前数个时钟时间，一些推后数个时钟时间。
3.根据权利要求要求1所述的RFID标签芯片时钟管理单元，其特征在于，所述输入的信号包括标志信号、使能信号和系统时钟信号。
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