CN102411395B - 一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统 - Google Patents

一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，包括集成有片上监测电路的主电路电源电压调节模块和电压转换器件；电源电压调节模块包括计算主电路当前时间片段错误率的采样统计模块记录错误率及对应电源电压的状态记录模块错误预测模块和状态转移概率生成模块；错误预测模块根据状态记录模块和状态转移概率生成模块，对主电路将来一时间片段的出错趋势进行预测，生成调节信号，送给相应的电压转换器件，产生整个主电路工作所需电压。本发明根据主电路“过去”的工作情况，“现在”的工作状态，利用马尔科夫理论对电路“将来”的时序违规水平进行预测，为电压转换器件调节电压预留时间，使动态电压调节更加具有方向性和目的性。

Description

一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统
技术领域
本发明涉及一种动态电压调节系统，具体涉及一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，属于嵌入式芯片设计领域。
背景技术
随着集成电路工艺尺寸向着超深亚微米级甚至纳米级的进一步缩小，芯片单位面积上的功耗密度也成指数上升，这使功耗成为集成电路设计中除了电路性能以外必须考虑的重要问题。尤其近年来各类电池供电的手持式设备、无线传感器网络节点芯片等系统芯片(SoC)对功耗要求越来越高，如何最大限度地降低芯片功耗已成为集成电路设计领域的关键技术。
在现有的低功耗芯片中，动态电压调节方法根据片上系统的性能需求和功耗水平有效地降低了芯片的动态功耗，但是传统的面向低功耗应用的动态电压调节技术采用开环系统，根据片上系统运行频率f，通过查找预先建立好的电源电压VDD与f的关系表格来确定VDD的值，不能对片上系统的实时运行情况做出迅速准确的反应，从而使得调节存在盲目性，控制性差，精度差等不足。
片上监测方法通过在系统芯片主电路关键路径的末端插入片上监测电路，实时监测电路的工作情况，将工艺偏差、电源电压波动、温度变化、噪声等因素对电路的影响归结为关键路径上的片上监测电路延时特性的变化。电路一旦出现时序违规，片上监测电路就会产生相应的错误信号，作为电源电压调节模块的调节依据。
基于片上监测电路的动态电压调节原理图如图1所示。这种方法可以实时监测主电路在工作时的出错水平，反映全局和局部扰动对电路的真实影响，通过引入错误检测和纠正机制，可进一步释放主电路设计阶段为克服工艺偏差、电源电压波动、温度变化、噪声等不利影响预留的电压余量，使芯片工作在最低可行的电源电压，从而使功耗达到最优化。
实际应用中，电源电压调节通常需通过电压转换器件（如DC-DC，LDO），这些器件在调节电压时本身需要花费一定的时间，即电压调节具有滞后性。传统的电压调节方法并没有考虑到这一问题，当电压调节完成后，电路的工作环境和状态很可能已经发生了变化，此时调节出来的电压已不能满足目前电路的工作需要。因此，需要有一定的机制来预测电路工作电压的变化趋势，来指导电压转换器件进行电压调节，为器件的电压转换预留一定的时间，更好地适应电路的变化。
马尔科夫链的预测对象是一个随机变化的动态系统，其预测是根据状态之间的状态转移概率来推测系统未来的发展趋势，马尔科夫过程要求状态无后效性。芯片内部工作环境受温度，工艺波动，噪声等影响，这些影响因素都是随机变量，且电路在某一时刻执行的指令也有一定的随机性。因此，片上监测电路在某一固定时间段内监测出电路出错概率这一过程是随机过程。由于电路现在的状态是“过去”的累计，将来的变化依赖于“现在”的条件而不是依赖于过去的条件，因此，此随机过程符合马尔科夫过程的特征。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可克服电压调节的滞后性，为电压转换器件调节电压预留时间的基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，能够更好地适应电路的变化。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
本发明包括集成有片上监测电路的主电路、电源电压调节模块和与电源电压调节模块输出端相连接的电压转换器件，主电路的输入接电压转换器件的输出，电源电压调节模块包括根据主电路设计的状态转移概率生成模块、错误预测模块和采样统计模块及状态记录模块，采样统计模块与片上监测电路输出端相连接，状态记录模块与采样统计模块输出端相连接，状态记录模块及状态转移概率生成模块的输出端接错误预测模块输入端；片上监测电路将监测到的错误信号发送给采样统计模块，采样统计模块计算出主电路当前时间片段内的错误率，并输出给状态记录模块，状态记录模块记录错误率及对应的电源电压；错误预测模块根据状态记录模块和状态转移概率生成模块生成的状态转移概率，利用马尔科夫理论，对主电路将来一时间片段内的错误率进行预测，并产生用于控制电压转换器件输出电压的调节信号。
上述状态转移概率生成模块采用的是状态转移概率查找表。
上述状态转移概率查找表是通过以下方法建立的：
在主电路设计完成后，令主电路在不同电压下，运行某一段规模较大的程序，大量统计，得出不同电压下，主电路从当前状态跳转到下一状态的状态转移概率，并以查找表的形式存放。
上述采样统计模块的处理过程包括以下几个步骤：
首先，将主电路运行时间划分成N个等长的时间片段；
然后，统计主电路第n-1时间片段内，片上监测电路发送来的总错误信号个数Nerror；
最后，计算主电路第n-1时间片段内的错误率Rerror=Nerror/Ntotal，其中，Ntotal为主电路第n-1时间片段内采样信号总数；
其中，2≤n≤N-1，N≥3，且N、n均为整数。
为了保证在主电路第n时间片段内，电压转换器件已将电压调节到主电路第n+1时间片段电压的预测值，上述时间片段的长度应不小于电压转换器件进行一次电压调节所需的最长时间。
本发明克服了传统的基于片上监测的动态电压调节系统在实时性要求较高的场合调节电压滞后的缺点，根据主电路“过去”的工作情况，“现在”的工作条件，利用马尔科夫理论对电路“将来”的时序违规水平进行预测，为电压转换器件调节电压预留时间，使动态电压调节更加具有方向性和目的性,更能适应芯片工作环境的实时变化，大大提高了系统的性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；（图中：主电路1，片上监测电路2，电源电压调节模块3，电压转换器件4。）
图2为本发明的电源电压调节模块结构框图；（图中，采样统计模块31，状态记录模块32，错误预测模块33，状态转移概率生成模块34。）
图3为主电路运行的时间片段示意图；
图4为本发明中错误统计原理示意图；
图5为某一工作电压下状态转移概率查找表。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明包括集成有片上监测电路2的主电路1、与片上监测电路2输出端相连接的电源电压调节模块3和与电源电压调节模块3输出端相连接的电压转换器件4（如DC-DC，LDO等），主电路1的输入接电压转换器件4的输出，电压转换器件4为主电路1提供电源电压。
在主电路1中多条关键路径的末端选择性地插入片上监测电路2，对主电路1的工作状态进行实时监测，当所监测的关键路径出现时序违规时，该条路径上的片上监测电路2将会产生一个错误信号。将许多片上监测电路2的错误信号进行“或”操作后，将一个总的错误信号交给电源电压调节模块3，该电源电压调节模块3通过一定的算法产生调节信号，送给相应的电压转换器件4，电压转换器件4产生整个主电路工作所需的电压。
电源电压调节模块3在本发明中采用电压预测的方式实现，将受温度，工艺波动，噪声等随机因素影响的主电路1抽象成马尔科夫链，根据主电路当前状态和状态转移概率来推测主电路将来的电压变化趋势。
参见图2，电源电压调节模块3包括状态转移概率生成模块34、与片上监测电路2输出端相连接的采样统计模块31、与采样统计模块31输出端相连接的状态记录模块32和错误预测模块33，状态记录模块32及状态转移概率生成模块34的输出接错误预测模块33的输入。
片上监测电路2将监测到的错误信号发送给采样统计模块31。
参见图3和图4，采样统计模块31的处理过程包括以下几个步骤：
首先，根据主电路1时钟频率和运行情况，将主电路1运行过程划分成N个等长的时间片段；其中，2≤n≤N-1，N≥3，且N、n均为整数。
然后，通过系统时钟，对主电路第n-1时间片段内，片上监测电路2发送来的错误信号进行采样，一个时钟周期采样一次，采样到高电平则错误信号个数加1，低电平则不变，统计出总错误信号个数Nerror；
最后，计算得到主电路第n-1时间片段内的错误率Rerror=Nerror/Ntotal，其中，Ntotal为主电路第n-1时间片段内采样信号总数。
其中，时间片段的长度不小于电压转换器件4进行一次电压调节所需的最长时间。
采样统计模块31输出主电路第n-1时间片段内的错误率给状态记录模块32。
状态记录模块32记录主电路第n-1时间片段内的错误率，并记录对应的电源电压。
本实施例中，状态转移概率生成模块34采用的是状态转移概率查找表。
状态转移概率查找表是通过以下方法建立的：在主电路1设计完成后，令主电路1在不同电压下，运行某一段规模较大的程序（运行程序的规模需根据主电路的规模和插入片上监测电路数目而定，没有统一的标准），通过大量的实验，得出不同电压下，主电路1从当前状态跳转到下一状态的状态转移概率，并以查找表的形式存放。
参见图5，本实施例中，状态转移概率查找表中存放的是根据主电路第n-1时间片段的状态，统计得出主电路第n+1时间片段处于某一状态的概率。为简化系统模型，此处只将系统划分为两个状态：①和②（但实际应用中，根据系统的复杂度，很可能将其划分为多个状态，并相应地将马尔科夫算法加以改进，就可以提高预测精度，也应属于本专利保护范围）。①对应错误率小于某一阈值，②对应错误率大于某一阈值（该阈值根据统计结果和设计需求而定）。由于处理器所执行的指令和环境，如工艺波动、温度变化等，及噪声的随机性，错误信号的产生是一个随机的值，满足一定的概率分布。
Vn为统计状态转移概率查找表时系统电压的大小。例如Vn=1.2V时的p12表示系统当前时刻主电路电压为1.2V，处于状态①，下一时间片跳转到状态②的概率。由于不同电压下系统跳转概率不同，故需建立多张诸如图5所示的查找表，其数目根据设计需要而定，一般由电压转换器件4的调节步长决定。由马尔科夫过程理论可知，图5所示转移概率查找表即为由主电路1抽象而成的马氏链的一阶转移矩阵，用P表示。
错误预测模块33根据状态记录模块32记录的主电路第n-1时间片段内的错误率及对应的电源电压和状态转移概率查找表中生成的前述电源电压所对应的状态转移概率，利用马尔科夫理论，对主电路第n+1时间片段内的错误率进行预测。
假设状态记录模块32记录主电路第n-1时间片段处于状态①，若需要求主电路第n+1时间片段处于状态②的概率，根据马尔科夫过程理论，上述问题转化为求P{Xn+1=②|Xn-1=①}。由概率论知识知，具有两个状态的齐次马氏链的两步转移概率矩阵P(2)=P2。易得：P{Xn+1=②|Xn-1=①}=P12(2)。其中P12(2)为两步转移概率矩阵P(2)第一行第二列元素。这样就求得了主电路第n+1时间片段处于状态②的概率，根据此概率的大小，产生控制电压转换器件4调节步长的数字信号，指导电压转换器件4对电压进行调节。跳过的主电路第n时间片段，将作为电压转换器件4调节电压所预留的时间。
状态记录模块32记录主电路第n-1时间片段内的错误率，并记录对应的电源电压。
同理，通过改变状态记录模块32记录的主电路不同时间片段的错误率及其对应的电源电压，适当调整马尔科夫预测算法，就可以预测主电路第n+m（m≤N-n）时间片段处于某一状态的概率，根据此概率的大小，产生控制电压转换器件4调节步长的数字信号，指导电压转换器件4对电压进行调节。
本发明将具有随机特性的主电路1抽象成马尔科夫链，用马尔科夫理论对主电路1的出错概率进行预测，用以指导工作电压的调节，有效地为电压转换器件4调节电压预留了时间，避免了电压调节的滞后性，使动态电压调节更有目的性，大大提高了电路与系统的性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，包括集成有片上监测电路（2）的主电路（1）、电源电压调节模块（3）和与电源电压调节模块（3）输出端相连接的电压转换器件（4），所述主电路（1）的输入接电压转换器件（4）的输出，其特征在于，
所述电源电压调节模块（3）包括根据主电路（1）设计的状态转移概率生成模块(34)、错误预测模块(33)和采样统计模块(31)及状态记录模块(32)，所述采样统计模块(31)与片上监测电路（2）输出端相连接，所述状态记录模块(32)与采样统计模块(31)输出端相连接，所述状态记录模块(32)及状态转移概率生成模块(34)的输出端接错误预测模块(33)输入端；
所述片上监测电路（2）将监测到的错误信号发送给采样统计模块(31)，所述采样统计模块(31)计算出主电路当前时间片段内的错误率，并输出给状态记录模块(32)，所述状态记录模块(32)记录所述错误率及对应的电源电压；所述错误预测模块(33)根据状态记录模块(32)和状态转移概率生成模块(34)生成的状态转移概率，利用马尔科夫理论，对主电路将来一时间片段内的错误率进行预测，并产生用于控制电压转换器件（4）输出电压的调节信号。
2.根据权利要求1所述的基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，其特征在于，所述状态转移概率生成模块(34)采用的是状态转移概率查找表。
3.根据权利要求2所述的基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，其特征在于，所述状态转移概率查找表是通过以下方法建立的：
在主电路（1）设计完成后，令主电路（1）在不同电压下，运行某一段规模较大的程序，大量统计，得出不同电压下，主电路（1）从当前状态跳转到下一状态的状态转移概率，并以查找表的形式存放。
4.根据权利要求1所述的基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，其特征在于，所述采样统计模块(31)的处理过程包括以下几个步骤：
首先，将主电路（1）运行时间划分成N个等长的时间片段；
然后，统计主电路第n-1时间片段内，片上监测电路（2）发送来的总错误信号个数Nerror；
最后，计算主电路第n-1时间片段内的错误率Rerror=Nerror/Ntotal，其中，Ntotal为主电路第n-1时间片段内采样信号总数；
其中，2≤n≤N-1，N≥3，且N、n均为整数。
5.根据权利要求4所述的基于片上监测和电压预测的动态电压调节系统，所述时间片段的长度不小于电压转换器件（4）进行一次电压调节所需的最长时间。
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