CN102573114A

CN102573114A - 一种无线局域网soc芯片的低功耗设计方法

Info

Publication number: CN102573114A
Application number: CN2010106223170A
Authority: CN
Inventors: 周卓; 刘鹏; 赵彦光
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法。根据无线局域网SOC芯片的工作模式和特点，发明了一种SOC芯片低功耗设计方法，该方法不但降低了芯片的动态功耗，而且进一步降低了芯片的静态功耗，突出解决了深亚微米工艺下芯片不断增长的静态功耗压力。

Description

一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法

技术领域

本发明涉及无线局域网领域无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法。

背景技术

在当今消费类SOC芯片设计中，工作和待机功耗正逐渐成为成功芯片的衡量标准，系统的待机时间也在逐渐成为关乎产品成败的决定性因素之一。

无线局域网技术作为一种高速无线通信网络技术，不但成为家庭无线路由，PC机无线接入的不二选择，近年来在消费类电子产品中也取得了日益广泛的应用。但由于该通信技术的算法与SOC实现系统的复杂性，通常芯片有较大的工作与待机功耗，这无疑对其在消费类电子产品，尤其是手持类电子产品中的应用带来巨大障碍。

本文针对无线局域网SOC芯片特点，提出了一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法。

发明内容

本发明提出了一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，该方法能有效降低无线局域网SOC芯片系统的工作和待机功耗。

该方法根据无线局域网SOC芯片的工作特点，定义多种工作状态，不同工作状态下具有不同的功耗。设计一个PMU模块，实现该工作状态机，并在实际工作中根据条件完成各状态之间的切换。

PMU模块在芯片工作中保持使用常开电源，并使用32.768KHz～2KHz频率可选的低频时钟作为时钟源，使其工作不依赖于芯片内部其它高频时钟源，进而可以在状态切换过程中关闭高频时钟电源。

根据芯片工作状态，为各功能模块划分电源域和时钟域，PMU分别对芯片各模块在不同状态下的电源和时钟信号进行开关控制，具体来说：

●根据芯片工作状态划分电源域，当芯片在不同工作状态之间切换时，完成各电源域的开启和关断控制；

●根据芯片工作状态划分电源域，当芯片在不同工作状态之间切换时，完成时钟频率切换以及时钟门控的开关控制。

附图说明

图1是根据芯片工作环境定义的芯片功耗状态转移图，图中各功耗状态自上而下功耗递增。

图2是芯片时钟域划分以及根据芯片功耗状态定义的系统级时钟门控和各子模块的自适应时钟。

图3是根据芯片功耗状态定义，电路各功能模块的电源域划分图示，具体实施方案中对个模块功能有详细说明。

具体实施方式

芯片各功能模块简介

模块Power Management Unit(简称PMU)使用片外常开1.2V电源供电，输入时钟为32.768KHz～2MHz可选的低频时钟域。该模块中实现芯片工作状态机，此外，芯片在各工作状态切换过程中，PMU模块负责完成除PMU电路以外芯片其它全部电路的电源开关和时钟门控开关信号；

模块Host Interface是设备接口的协议处理器，芯片通过设备接口与片外主设备进行数据交互；

模块Clock Gating Control(CGC)完成芯片Host Interface与BB Subsystem内各个时钟域的时钟门控，以及完成Processor模块的时钟频率切换。

模块Processor是片内微处理器，以及相关的I_cache，D_cache，还包括指令和数据存储器系统，负责完成芯片数据帧组建/解析，以及WLAN相关协议；

模块Wireless LAN Baseband Subsystem(简称BB Subsystem)主要包括无线局域网的基带与MAC协议数字处理系统，此外还包括安全核，存储器控制器，以及该电路结构下总线控制器等数字电路；

Wireless LAN RF & AD/DA Subsystem(简称RF Subsystem)是无线局域网的模拟电路前端，包括射频，PA，LNA，AD/DA以及高频振荡器等模拟电路。

芯片工作状态机

在PMU模块中设计实现芯片工作状态机(见图1)，控制完成芯片在各状态之间的转换。芯片各状态描述如下(对应电路如图3所示)：

(1)POWER_OFF：芯片复位状态，此状态为芯片最低功耗状态。只有PMU模块上电，低频时钟被关断，其它模块均处于断电状态。

(2)STANDBY：芯片待机状态，PMU模块上电并正常工作，低频时钟开启，片内所有其它模块均处于断电状态。

(3)SLEEP：芯片睡眠状态，PMU模块上电并正常工作，低频时钟开启，主机接口部分电路(Host Interface)开启，CGC模块与高频时钟开启以保证接口能够正常工作；RF subsystem电源关闭，BB subsystem电路电源会根据睡眠深度不同选择开启或关断。

(4)ACTIVE：芯片正常工作状态，所有模块电源都开启。芯片WLAN功能处于正常通信的工作状态，此时芯片具有最高的功耗。

芯片工作状态机切换

状态机使用32.768KHz～2MHz的低频时钟，使其不依赖于其它高频时钟，因此可以在某些状态下关闭高频时钟振荡电路以降低芯片功耗。

芯片复位时处于POWER_OFF状态，芯片复位释放后，PMU顺序完成：打开芯片各部分电路电源，释放复位，撤销隔离使能，最后开启电路的时钟。完成这些步骤后，工作状态机切换至ACITIVE。

芯片在ACTIVE状态下，固件判断如果满足睡眠条件，则配置PMU寄存器，使其开始向SLEEP或STANDBY状态切换。PMU在切换至SLEEP或STANDBY过程中，顺序完成：关闭时钟，使能隔离，复位芯片，最后关断芯片电源。

芯片在STANDBY或SLEEP状态下，PMU会检测芯片唤醒的条件，当芯片满足唤醒条件时，PMU会顺序完成：打开芯片各部分电路电源，释放复位，撤销隔离使能，最后开启电路的时钟。完成这些步骤后，工作状态机切换至ACITIVE。

芯片电源域划分

PMU在不同的工作状态下，关断不同功能模块的电源，由此可以将芯片电源域划分为4个电源域(见图3)，各电源域分别包括如下模块：

●电源域1(PD1)：包括PMU模块；

●电源域2(PD2)：包括Host Interface与CGC模块；

●电源域3(PD3)：包括Processor与BB Subsystem模块；

●电源域4(PD4)：包括RF subsystem模块。

芯片各工作状态分别对应不同的电源域开启或关断，如下表。

表1芯片工作状态与各电源域开关对应关系

时钟门控管理

时钟门控管理分为系统级时钟门控和自适应级时钟门控(见图2)。

PMU根据芯片工作状态，控制系统级时钟门控的状态，决定是否开启或关断相关功能模块的时钟。设计如下时钟门控使能信号：

●clk_bb_en：

BB subsystem与processor模块的时钟门控使能信号，只有在ACTIVE状态下，该信号才会无效，使BB subsystem和processor正常工作，其它工作状态下，该信号有效，BB subsystem和processor时钟被关闭。

●clk_if_en：

Host Interface与CGC模块的时钟门控使能信号，在ACTIVE状态下，该信号才会无效，使Host Interface与CGC正常工作；在STANDBY和SLEEP状态下，可以通过配置选择，是否需要将该时钟门控使能信号置有效或无效，取决于此状态下，Host Interface模块是否需要芯片内部提供时钟，即如果不需要，则使门控使能有效，否则使门控使能无效。

自适应级时钟门控根据各模块反馈的门控使能信号，来开启或关断芯片内各功能模块，该功能实现在CGC模块中。

每个模块包括子模块，其内部各部分功能一般不会同时处于工作状态，对于没有处在工作状态的功能电路，分别提供独立的时钟，并由该模块实现一个门控使能信号。当该模块自身处于空闲时，将门控使能信号置为有效，此时CGC模块会将该模块的时钟关闭；当模块需要处理新的事务时，将门控使能信号置无效，此时CGC模块会将该模块的时钟关闭。通过以上的方式，完成自适应级门控时钟的设计。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，其特征在于，根据芯片应用特点设计实现硬件工作状态机，使芯片在不同工作状态下关断不同模块时钟或电源，以降低芯片在各状态下的功耗，实际工作中硬件根据条件完成各状态之间的切换，从而达到降低芯片工作功耗的目的。

2.如权利1要求所述的一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，其特征在于，硬件状态机实现于独立的电源管理模块PMU中，该模块在芯片工作过程中保持常开电源，并使用频率可选的低频时钟作为时钟源，从而控制在某些工作状态下关断芯片内部其它高频时钟源，达到降低芯片功耗的目的，其中芯片各状态描述如下：

(1)芯片复位状态，此状态为芯片最低功耗状态，只有PMU模块上电，低频时钟被关断，其它模块均处于断电状态；

(2)芯片待机状态，PMU模块上电并正常工作，低频时钟开启，片内所有其它模块均处于断电状态；

(3)芯片睡眠状态，PMU模块上电并正常工作，其他模块根据各自工作状态选择开启或关断；

(4)芯片正常工作状态，所有模块电源都开启，芯片WLAN功能处于正常通信的工作状态。

3.如权利1或2要求所述的一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，其特征在于，芯片各功能模块使用不同的时钟门控使能控制，使得在不同的工作状态下，有选择地关断某些不需要工作的功能模块的时钟，达到降低功耗的目的，其中，芯片中各个状态的切换顺序如下：

芯片复位释放后，PMU顺序打开芯片各部分电路电源，释放复位，撤销隔离使能，最后开启电路的时钟，工作状态机切换至芯片正常工作状态；

在芯片正常工作状态下，固件判断如果满足睡眠条件，则配置PMU寄存器，使其开始向芯片待机状态或芯片睡眠状态状态切换。PMU在切换至待机状态或芯片睡眠状态状态过程中，关闭时钟，使能隔离，复位芯片，最后关断芯片电源。

芯片在待机状态或芯片睡眠状态状态下，PMU检测芯片唤醒的条件，当芯片满足唤醒条件时，PMU打开芯片各部分电路电源，释放复位，撤销隔离使能，最后开启电路的时钟，工作状态机切换至芯片正常工作状态。

4.如权利1要求所述的一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，其特征在于，芯片中各功能模块，根据其自身工作状态，产生自身的时钟门控使能控制信号，使其在工作过程中，自适应的控制开启或关断该模块的输入时钟，达到降低功耗的目的。

5.如权利1要求所述的一种无线局域网SOC芯片的低功耗设计方法，其特征在于，根据芯片工作状态的功能需要，将各功能模块组织并划分为多个的电源域，当芯片处于某工作状态时，控制关断某些不工作的功能模块的电源，达到降低功耗的目的。