CN103294641B

CN103294641B - 用于系统管理的有限状态机

Info

Publication number: CN103294641B
Application number: CN201310048999.2A
Authority: CN
Inventors: K.黑泽
Original assignee: Intel Mobile Communications GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: CN103294641A; US20130205104A1; US9411714B2; EP2626757A1

Abstract

本发明涉及用于系统管理的有限状态机。本发明涉及一种混合有限状态机，其基于微编码处理器以及查找表的使用来实现组合逻辑。微编码用于描述FSM的状态转移，并且查找表用于确定状态转移的条件并根据状态生成输出。

Description

用于系统管理的有限状态机

技术领域

本发明涉及用于系统管理的混合有限状态机（FSM）。本发明具体地涉及用于计算机芯片上的系统管理的混合FSM。

背景技术

现今的复杂片上系统（SOC）包含硅的单个裸片上的多种不同功能模块，包括数十亿个晶体管。这些SOC通常包含一个或多个嵌入式处理器、片上存储器、用于例如密码术的硬件加速器以及用于人类接口技术的外围控制器（例如，键盘、屏幕）等。使用不同频率和潜在地甚至不同协议、经由总线的层级来互连所有这些单元，利用专用总线桥将这些总线段相连接。

首要的是系统管理控制器，其通常连接至负责用于SOC的适当功率和时钟供给的主应用处理器，系统管理控制器与潜在地片外的电压调节器、PLL以及时钟分频器和时钟脉冲门进行相互作用。

图1示出了现有技术的SOC 11的实施例，其中，系统管理12连接至与多个模块相连接的外围总线15、时钟供给13和电压供给14；键盘114、触摸板115、音频116、LCD 117和摄像机118连接至外围总线15；外围总线15经由总线桥119连接至处理器总线16；应用处理器18、RAM 19、密码机110和以太网111连接至处理器总线16；处理器总线16经由总线桥120连接至存储器总线17；以及ROM 112和闪存113连接至存储器总线17。

这些芯片的系统管理也变得越发复杂，并且简单的开/关/待机的时间漫长。尤其对于移动设备，采用积极主动的功率管理以延长电池寿命，而且具有壁插电源的系统也尝试控制功率消耗以最小化热设计功率，从而允许针对更好的用户体验的更慢的风扇速度和/或更紧凑的情况。此外，现代SOC需要若干个不同时钟和电压，这通常还需要特定的定序。因此，现代系统管理具有各种各样的任务要处理：

· 控制系统提升（ramp-up），即，按具体顺序开启电压和时钟

· 将系统带入和带出待机，即，关闭系统的大多数部分

· 再次，确保适当定序

· 系统的部分可能保持处于保留，即，防止休眠状态中的数据丢失

· 待机还意味着：当关闭SOC的其余部分时，系统管理保持被供电（始终开启域）

· 对唤醒事件起作用

· 在正常操作期间对功率消耗进行微调，这包括：

· 放慢或关闭当前不需要的系统部分的时钟；

· 当需要处理能力时，暂时提高时钟速度；

· 根据时钟速度，动态提高/降低电压。

在抽象级，系统管理是一种有限状态机（FSM），其存储状态向量，该状态向量可以：包含系统状态，例如休眠、慢处理、高速处理等；以及作用于输入，例如功率和时钟请求、唤醒事件等；以及生成输出，例如电压控制、时钟使能等。

在物理级，存在实质上两种方案来实现该FSM：

a）如图2所示的硬接线的。状态向量25是触发器的阵列，并且组合逻辑22处理输入21，以基于当前状态23，计算接下来的状态24并通过输出逻辑26来生成输出27。

b）作为如图3所示的嵌入式处理器中的程序：状态向量35仅是处理器的存储器36中的位置，并且软件代码32处理输入条件以计算接下来的状态和输出向量。处理器31可以是系统管理单元中的专用小型嵌入式处理器，或者该任务与其其他任务一起由主应用处理器来处理。

这两种方案均具有其优势和缺点：

· 硬接线的FSM较小且容易包含始终开启的功率域。然而，在其状态及这些状态的转移的意义上，其在功能上也是固定的。当调整变得必要时，这可能成为有问题的，因为这随后会需要硅自旋。

· 嵌入式处理器上的软件相对容易调整，从而添加或删除状态或转移仅需要新程序。然而，嵌入式处理器需要相对较大的硅面积、更多功率，并且在待机期间通常还需要比硬接线FSM将需要的更高的时钟。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有改进效率的有限状态机和相应系统。具体地，目的是提供一种具有改进灵活性和较小硅覆盖区（footprint）的有限状态机和相应系统。

该目的利用独立权利要求的特征来实现的。从属权利要求涉及本发明的其他方面。

本发明涉及一种可编程的有限状态机，其被配置为在接收到输入符号之后从当前状态转移至接下来的状态，所述输入符号包括多个输入，接下来的状态和当前状态中的每一个由N个比特表示，并且每个输入符号由I个比特表示，所述有限状态机还被配置为生成包括多个输出的输出符号，所述输出符号由W个比特表示，所述输出符号取决于当前状态，其中，FSM是混合FSM。

所述混合FSM基于微编码处理器以及对查找表的使用来实现组合逻辑。微编码用于描述FSM的状态转移，并且查找表用于确定状态转移的条件并根据状态而生成输出。

因此，FSM包括具有多个条目的微代码表，每个条目表示一个状态转移。这确定了FSM如何根据当前状态而作用于输入事件，例如唤醒、定时器到期、用户输入、处理速度需求等。微代码表基本上是作为可能状态转移的总数的长度为L的表。

混合FSM还包括：寄存器，被配置为存储当前状态；以及第一查找表，被配置为存储多个输出符号，其中，当前状态是第一查找表的地址。作为查找表的构造允许输出逻辑在被实现为RAM或触发器阵列的情况下可编程。查找表可以具有长度2^N和宽度W。输出信号可以包括电压控制、时钟使能和时钟速度。

本发明的一个方面涉及微代码表的配置。微代码表可以被配置为根据当前状态来选择用于转移的所有条目。

每个微代码表条目可以包括状态信息字段和转移条件字段。作为灵活性与必要存储器大小之间的折衷，确定这些字段的布局。

所述状态信息字段可以被配置为将有限状态机要被转移至的状态存储在所至的状态字段（to-state-field）中。

所述转移条件字段可以被配置为存储用于通过处理所述输入符号从当前状态转移至接下来的状态的布尔函数。

本发明的一个方面涉及一种具有每状态的固定数目的可能转移的微代码表配置。所述状态信息字段仅包含与状态向量相同宽度的N个比特，这是由于其仅需要描述FSM要被转移至的那个状态。此外，将微代码表的固定部分指派给每个状态，并且然后当前状态仅选择需要针对处理而考虑的微代码部分。

本发明的一个方面涉及一种微代码表配置，其具有与具有每状态的可变数目的转移的微代码表的数字长度L相等的固定转移总数。所述状态信息字段需要两倍宽（即，2*N），这是由于其需要存储条目所意指的状态（当前状态，FSM要从该当前状态转移）和转移应引导至的状态。这还意味着：微代码表需要是CAM（内容寻址存储器），在所来自的状态字段（from-state-field）与当前状态相匹配的情况下选择用于处理的所有条目。因此，该配置需要每条目的更多比特，而且还提供更灵活得多的FSM。

本发明的一个方面涉及转移条件字段。在最一般的形式中，条件字段将针对I个输入信号需要2^I个比特。输入对包含针对每个输入组合的函数值的2^I个比特进行寻址，其再次作为查找表。

本发明的一个方面涉及转移条件字段，其可以被配置为存储可对给定转移条件做出贡献的限制数目的输入。这是可能的，原因在于：通常系统状态的改变是逐步的且稍微分组的。例如，通常存在从休眠状态至基于唤醒信号的上电状态的转移，但是，一旦上电，系统就不需要查看唤醒信号，而是作用于其他信号，例如针对不同时钟速度，以对处理速度和功率消耗进行微调。因此，可以将条件字段划分为两部分，一个信号选择字段（具有S个选择比特），以及一个函数字段（具有V个值比特）。尽管信号选择需要多个比特，但是给定总数的输入信号的和字段宽度S+V仍可以小于单独的（所有输入的）函数的。因此，FSM微代码的大小被减小，并且结果，硅覆盖区也减小。

本发明的一个方面涉及单个微代码表和输出查找表条目作为ROM（或组合逻辑）的实现，从而提供了FSM“骨架”并进一步使硅覆盖区最小化。

在存在与针对微代码表的两个不同编程相同的转移（即，描述在相同条件下从一个状态至第二状态的转移）的情况下，其相应微代码表条目可以由固定值替换。通常，这是真实系统中的情况，这是由于例如始终存在从休眠状态至由唤醒信号触发的唤醒状态的转移。这允许实现状态和转移的固定“骨架”。这也适用于输出信号查找表。利用其余的可编程微代码和输出查找表条目，仍剩下足够的灵活性。

本发明的一个方面涉及用于描述FSM状态的实质上不同的集合（例如，休眠对（vs.）处理模式）的动态重新编程，这允许利用比以其他方式实现全系统状态图将必需的更小的FSM来工作。

所提出的微代码FSM的动态重新编程允许进一步优化。当设计包括所有休眠状态（例如，具有各个断电部分和不同唤醒时间的浅和深度休眠）和所有处理状态（具有例如不同时钟速度和供给电压）的系统的总体状态图时，这可能变得相当大，从而需要具有宽状态向量的FSM，以便对所有状态和长微代码表进行编码，以便存储具有其相应条件的所有转移。然而，针对休眠和处理模式，通常存在状态和转移的相当分离的集合。因此，有可能使SOC的应用处理器在进入休眠之前不久以及在唤醒之后不久对FSM进行重新编程。在进入休眠状态之前不久，处理器将以允许进入休眠并处理唤醒序列（例如，上电电压和时钟）的状态和转移对FSM进行编程。在系统从休眠出来之后，处理器将对FSM进行重新编程，以便现在处理在正常处理期间需要的细粒度动态电压频率扩缩，优选地基于计算速度需求。该方案允许最小化FSM为了自主处理而需要的转移和状态的数目二者。

本发明的一个方面涉及一种包括有限状态机的片上系统。所述有限状态机被配置为提供系统管理功能。所述系统管理功能被配置为管理芯片上的多个组件。

本发明的一个方面涉及片上系统，其中，有限状态机的状态可以包括休眠和/或高速处理和/或慢速处理；和/或其中，有限状态机的输入包括功率请求和/或时钟请求；和/或其中，有限状态机的输出包括电压控制和/或时钟。

本发明的一个方面涉及一种用于提供并执行内容寻址存储器微代码的方法，微代码表示有限状态机功能，其具有从当前状态至接下来的状态的状态转移和根据输入的改变的输出，其中，微代码的每个微代码条目包含用于存储所来自的状态的字段、用于存储所至的状态的字段、用于存储选择符号的字段和用于存储函数符号的字段。所述方法包括以下步骤：

a）将当前状态与所有微代码条目的所来自的状态字段同时进行比较；

b）根据所述选择符号，从输入符号中选择至少一个输入；

c）使用所述至少一个所选输入，将索引形成至查找表中，以导出函数值，以及

在函数值为0的情况下，FSM保持处于当前状态；以及

在函数值为1的情况下，输出所述具体微代码条目，其中，通过查找表来生成输出符号，其中，所述所至的状态是所述查找表的地址。

本发明的主旨在于一种包括基于微代码和查找表的FSM的系统管理的新型结构。

系统管理FSM的该新型结构将硬接线FSM的优势（例如小的硅覆盖区和低功率消耗）与在嵌入式处理器上运行的软件的优势（例如灵活性）进行组合，易于带来流片（tape-out）后的改变而无需硅自旋。

附图说明

下面在这里通过示例性实施例并参照附图，更详细地描述根据本发明的方法和相关系统，在附图中：

图1示出了现有技术的复杂片上系统；

图2示出了现有技术的硬接线FSM实施方式；

图3示出了现有技术的软件FSM实施方式；

图4示出了微代码FSM实施方式；以及

图5示出了可表述的状态图的实施例。

具体实施方式

图4示出了基于微代码实施方式的FSM的原理结构。微代码表41的每个微代码条目42包括状态字段46和转移条件字段49。微代码表41基于CAM功能。状态字段46包括所来自的状态字段47和所至的状态字段48。将转移条件字段49分割成信号选择字段410和转移函数字段411。FSM包括用于存储状态向量的寄存器44和与状态向量寄存器44相连接的输出表45。将当前状态417存储在状态向量寄存器44中。当前状态417和输入416由FSM微代码读取。通过比较单元412将所来自的状态字段47中存储的所来自的状态与当前状态417进行比较，并且在确定相等的情况下，针对逻辑状态决定信号418生成逻辑真。多路复用器413从I个输入416中选择S个输入421。所选输入421通过转移单元414将索引形成至存储在转移函数字段411中的转移条件函数表，并生成逻辑转移决定信号419。将逻辑状态决定信号418、逻辑转移决定信号419以及所至的状态字段48中存储的所至的状态420输入至逻辑与门415中，该逻辑与门415在两个逻辑决定信号均为真的情况下输出所至的状态420并在逻辑决定信号中的任一个为假的情况下输出0。这是针对每个微代码条目进行的。在或门43中输入每个微代码条目42的输出423。由于所述或门43的除一个输入外的所有输入均为0，因此仅输出已进行转移的所至的状态420作为接下来的状态422，并将该所至的状态420存储在状态向量寄存器44中。然后，通过输出查找表45来生成输出423。

在具有每状态的固定数目的可能转移的微代码表配置的一个实施例中，微代码长度是64个条目，并且状态向量是4比特宽，即，16个可能状态。给每个状态指派描述从该状态至某其他状态的转移的4个条目。

在具有与具有每状态的可变数目的转移的微代码表的长度相等的固定转移总数的微代码表配置的一个实施例中，微代码长度是64个条目，并且状态的数目是16。这16个状态中的每一个可以具有不同数目的所指派的条目，只是它们的和被限制为64。

在一个实施例中，微代码表的各个条目被实现为ROM，而不是被实现为RAM或触发器。这将使硅覆盖区和功率消耗最小化。针对第一情况51和第二情况52实现固定状态图骨架，如图5所示：如图可见，在这两种情况下，存在从状态A至状态B的转换和至状态C的另一转移。如果这些转移在相同条件下发生，则它们的相应微代码表条目由固定值替换。

尽管在附图和以上描述中详细示意和描述了本发明，但是这种示意和描述应被视为示意性或示例性而非限制性的。将理解，在后面的权利要求的范围和精神内，本领域普通技术人员可以进行改变和修改。

Claims

1.一种可编程有限状态机，其被配置为在接收到输入符号之后从当前状态转移至接下来的状态，所述输入符号包括多个输入，接下来的状态和当前状态中的每一个由N个比特表示，并且，每个输入符号由I个比特表示，所述有限状态机还被配置为生成包括多个输出的输出符号，所述输出符号由W个比特表示，所述输出符号取决于当前状态，所述有限状态机还包括：

具有多个条目的微代码表，每个条目表示状态转移；

寄存器，其被配置为存储当前状态；以及

第一查找表，其被配置为存储多个输出符号，其中，当前状态是第一查找表的地址；

其中，所述微代码表被配置为根据当前状态来选择用于转移的所有条目，并且其中，每个微代码表条目包括状态信息字段和转移条件字段。

2.根据权利要求1所述的可编程有限状态机，

其中，所述状态信息字段被配置为将所述有限状态机要被转移至的状态存储在所至的状态字段中；以及

所述转移条件字段被配置为存储用于通过处理所述输入符号从当前状态转移至接下来的状态的转移布尔函数。

3.根据权利要求1或2所述的可编程有限状态机，其中将微代码表的固定部分指派给所述有限状态机要从其转移的状态中的每一个，并且其中，当前状态选择需要针对处理而考虑的微代码部分。

4.根据权利要求1或2所述的可编程有限状态机，其中，微代码是基于内容寻址的，其中，所述状态信息字段还被配置为将所述有限状态机要从其转移的状态存储在所来自的状态字段中；以及其中，所述微代码表还被配置为在所述所来自的状态字段与当前状态相匹配的情况下选择用于处理的所有条目。

5.根据权利要求1或2所述的可编程有限状态机，其中，所述转移条件字段被划分为选择字段和函数字段，所述选择字段被配置为存储由S个比特表示的选择符号，以及所述函数字段被配置为存储由V个比特表示的函数符号；

所述微代码表被配置为根据所述选择符号而从所述输入符号中选择多个输入；以及

所述微代码表还被配置为关于所选输入处理由所述函数符号表示的转移布尔函数。

6.根据权利要求5所述的可编程有限状态机，其中，所述转移布尔函数被实现为第二查找表，其中，所选输入是所述第二查找表的地址。

7.根据权利要求1或2所述的可编程有限状态机，其中，所述微代码表的各个条目被实现为ROM和/或组合逻辑。

8.根据权利要求1或2所述的可编程有限状态机，其中，状态和转移的集合被划分为多个分离的子集；每个子集被指派给具体模式；以及其中，根据所述具体模式，将所述有限状态机重新编程至分离的子集。

9.根据权利要求8所述的可编程有限状态机，其中，一个模式和对应的子集与系统的休眠模式相关，和/或其中一个模式和对应的子集与系统的正常处理模式相关。

10.一种包括根据权利要求1至9中任一项所述的可编程有限状态机的片上系统，其中，所述有限状态机被配置为提供系统管理功能，所述系统管理功能被配置为管理芯片上的多个组件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述有限状态机的状态包括休眠和/或高速处理和/或慢速处理；和/或其中，所述有限状态机的输入包括功率请求和/或时钟请求；和/或其中，所述有限状态机的输出包括电压控制和/或时钟。

12.一种用于提供并执行内容寻址存储器微代码的方法，所述微代码表示有限状态机功能，其具有从当前状态至接下来的状态的状态转移和根据输入的改变的输出，其中，微代码的每个微代码条目包含用于存储所来自的状态的字段、用于存储所至的状态的字段、用于存储选择符号的字段(410)和用于存储函数符号的字段，所述方法的特征在于：

a)将当前状态与所有微代码条目的所来自的状态字段同时进行比较；

b)根据所述选择符号，从输入符号中选择至少一个输入；

c)使用所述至少一个所选输入，将索引形成至查找表中，以导出函数值，以及

在函数值为0的情况下，FSM保持处于当前状态；

在函数值为1的情况下，输出具体微代码条目，

其中，通过查找表来生成输出符号，其中，所述所至的状态是所述查找表的地址。