CN103324268A - 用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，所述方法将芯片工作模式分为正常工作模式和低功耗工作模式两类，当芯片工作在正常工作模式时，可以根据具体应用的需求，配置芯片的工作频率，降低时钟频率以节省由于时钟不必要翻转所带来的大部分动态功耗；芯片不需要处理任务时则选择工作在低功耗工作模式，在低功耗工作模式下，芯片内部的时钟或某些区域的电源会自动进行关断，进而节省动态功耗和静态功耗。本发明在芯片工作和休眠时都可以大幅降低不必要的能量消耗，为无线传感器网络节点延长电池寿命，在保证无线传感器节点正确工作的情况下降低功耗具有非常重要的意义。

Description

用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的低功耗设计领域，具体涉及一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法。

背景技术

无线传感器网络是继互联网之后，将对2l世纪人类生活方式产生重大影响的新技术。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中认为，有十种新兴技术在不远的未来将改变世界，其中无线传感器网络被列为首位。

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用，无线传感器网络也可以用于农业、医疗、智能家居等应用场景中。应用环境复杂多变，使得对无线传感网中的处理器的功耗降低有更高的要求。另外，随着深亚微米工艺的不断发展，电路规模不断扩大，集成度不断提高，如何降低功耗是现今芯片设计面临的巨大挑战，芯片集成技术的发展使得单个芯片集成所有的处理部件，功能日益强大，散热问题也成为了影响设计可靠性和封装成本的主要问题。

低功耗设计是一个复杂的综合性课题，就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等，就设计抽象层次而言，包括自系统级至工艺级的所有抽象层次，同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。

应用在工艺级的低功耗设计方法有：封装I/O优化，减小晶体管尺寸，增加金属层数以及采用特殊工艺等，封装技术对芯片的功耗有很大的影响，芯片级的I/O功耗大约占整个系统功耗的1/4至1/3，因此在工艺级，优先考虑的是减少I/O功耗。电路级的低功耗技术，主要是针对动态功耗而言，具体涉及的方面有电源电压、物理电容、开关频率等方面，其中动态功耗与电源电压的平方成正比关系，通过降低电源电压可以大幅降低动态功耗。在门级电路设计和综合阶段所采用的功耗优化技术有很多种，主要包括：时序调整、公因子提取、工艺映射、门级尺寸优化、逻辑分解等。

RTL级降低功耗主要是通过减少寄存器不必要的跳变来实现的，这种跳变不会对电路逻辑功能的输出产生影响，也就是输出值并不需要改变而电路在跳变，从而导致了功耗的增加。常用的低功耗结构有两种：并行结构和流水线结构，这两种结构不仅常用于高速电路中用来提高电路吞吐量，在保持电路原有的吞吐量不变时，还可以用来作为降低功耗的手段。降低功耗在芯片的整个设计流程中考虑得越早越好，这样可以最有效地降低功耗，避免反复设计造成的成本浪费。系统级是最高层的抽象层次，主要应用的低功耗技术有动态电源电压管理、动态阈值电压、低功耗工作模式管理等。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其在芯片工作和休眠时都可以大幅降低不必要的能量消耗，为无线传感器网络节点延长电池寿命，在保证无线传感器节点正确工作的情况下降低功耗具有非常重要的意义。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，所述方法将芯片工作模式分为正常工作模式和低功耗工作模式两类，当芯片工作在正常工作模式时，可以根据具体应用的需求，配置芯片的工作频率，降低时钟频率以节省由于时钟不必要翻转所带来的大部分动态功耗；芯片不需要处理任务时则选择工作在低功耗工作模式，在低功耗工作模式下，芯片内部的时钟或某些区域的电源会自动进行关断，进而节省动态功耗和静态功耗。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，所述芯片的不同工作频率通过分频一个时钟源实现，也可以设计芯片时钟输入为多种时钟源。

作为优化，所述芯片内部电源在低功耗工作模式关断，芯片内部根据功能需求划分为多个电压区域。

作为优化，无线传感器网络核心芯片通过状态机来控制工作模式在正常工作模式和低功耗工作模式间切换。

进一步，芯片低功耗工作模式分为空闲工作模式和休眠工作模式，空闲工作模式只关断模块时钟，休眠工作模式关断模块时钟和芯片内部某些区域电源。

更进一步，设计方法将芯片工作模式分为两大类，正常工作模式和低功耗工作模式，工作模式的切换受控于状态机，其切换步骤为：

Ⅰ、当前工作模式为正常工作模式，需要进入的下一个工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下关断时钟、电源后进入低功耗工作模式，进入步骤Ⅱ；如果当前工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下进行唤醒，过程是以下步骤的逆操作；

Ⅱ、打开时钟门控，关闭各模块时钟输入，节省由模块内部不必要翻转带来的大量动态功耗；

Ⅲ、判断芯片在当前工作模式下是否使用了锁相环（phase-locked loop,PLL）倍频，如果使用PLL倍频，关断PLL后进入步骤Ⅳ，如果没有使用PLL倍频，直接进入步骤Ⅳ；

Ⅳ、将芯片系统时钟切换为晶振输出时钟；

Ⅴ、判断芯片2K Hz时钟是否稳定，如果2K Hz时钟稳定，将芯片系统时钟切换为2K Hz，如果不稳定，等待2K Hz时钟稳定后再进行切换；

Ⅵ、关闭晶振时钟输出；

Ⅶ、判断所进入低功耗工作模式是空闲工作模式还是休眠工作模式，如果是空闲工作模式，直接进入步骤Ⅺ，如果所要进入低功耗工作模式为休眠工作模式，则进入步骤Ⅷ；

Ⅷ、复位数字核心区各模块数据；

Ⅸ、使能可掉电区域和常开区之间的隔离功能，通过状态机判断状态，将隔离单元控制信号置位；

Ⅹ、通过状态机控制电源开关，将数字核心区、FLASH区域掉电；

Ⅺ、正式进入低功耗工作模式。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明通过电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具PTPX对不同工作模式下芯片整体功耗进行分析，分析结果表明通过采用不同的时钟和电源关断技术，本文设计的低功耗工作方案对降低芯片整体功耗有很大帮助，是切实可行的方案。

当芯片工作在正常工作模式，芯片内部所有模块的电源和时钟都处于打开状态，数字核心区约占总体功耗的70%，常开区30%，占总体功耗的绝大部分，其中内部功耗约占了80%，这也是在进行低功耗电路设计时重点是降低动态功耗的原因。当芯片进入休眠工作模式时，数字核心区和FLASH区域掉电，动态功耗和静态功耗都降低为0，常开区单元的时钟端不再翻转，动态功耗也降低为0，常开区之所以还处于上电状态，是因为当重新有工作任务需要处理时，需要将芯片从休眠中唤醒，这符合PMU模块的设计需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例中正常工作模式和空闲工作模式间的切换流程图；

图2为本发明实施例中正常工作模式和休闲工作模式间的切换流程图；

图3为本发明实施例中功耗管理模块PMU的内部模块框图；

图4为本发明实施例中的时钟门控示意图；

图5为本发明实施例中掉电隔离信号使能示意图；

图6为本发明芯片内部电源区域划分示意图；

图7为本发明可掉电区域电源线和地线示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，当芯片启动时，默认工作模式时正常工作模式，启动后对芯片进行一些基本初始化配置。当芯片一段时间内不需要处理任务时进入休眠工作模式或空闲工作模式。

图1所示为正常工作模式与空闲工作模式之间的切换流程图。图1左侧部分是从正常工作模式切换至空闲工作模式的过程，首先将时钟门控打开，关闭各功能模块时钟，再将PLL倍频模块关闭，然后将时钟切换至晶振时钟，再判断2KHz时钟是否已经稳定，如果稳定，将时钟切换至低速时钟并关闭晶振时钟，至此完成由正常工作模式至空闲工作模式的切换。

空闲工作模式至正常工作模式的切换过程，如图1右半部分所示，从图中可以看出，基本与图1左侧部分从正常工作模式切换至空闲工作模式时过程相逆。在唤醒过程中，首先将晶振打开，待晶振稳定后，将时钟从低速切换至高速时钟，然后再判断是否使用了PLL倍频，如果在进入休眠工作模式之前，芯片是工作在工作模式并且使用了PLL倍频，那么唤醒时继续使用PLL倍频，如果在进入空闲工作模式之前，芯片没有使用PLL倍频，系统时钟采用的是晶振输出时钟，那么在唤醒时直接将时钟门控设置清除。

在芯片从正常工作模式切换至低功耗工作模式的过程中，每次时钟的切换，都需要所切换的时钟能够达到稳定状态，在具体实现的过程中，使用了递减计数器或者稳定信号来保证其达到稳定。比如正常工作模式至空闲工作模式过程中，需要将时钟从高速切换至低速，如果使用了PLL，那么需要两次切换，第一次切换时，需要保证晶振处于稳定状态，第二次切换时，需要保证2KHz时钟处于稳定状态，在正常工作模式下，使能递减计数器，在原有时钟的驱动下进行递减计数，当计数至零时说明较低速时钟已经稳定，此时再进行切换。时钟切换成功后，再将原所有时钟关闭。

状态机在循环的过程中，致使某些信号值得到改变，这些信号值的改变使得某些判断条件成立。比如时钟门控的管理过程，当状态机正常工作模式进入时钟门控状态时，在本时钟周期内，状态机切换的同时，将时钟门控的控制信号置1，一旦门控的控制信号置1，在下一个时钟上升沿到来时，时钟门控的判断条件已经成立，便将各模块的时钟关闭，如图4所示。如果当前状态是正常工作模式，同时下一个状态是时钟门控（Clk_Gating），那么在时钟的驱动下，时钟门控控制信号DIGIClkGaging被置1，下一个时钟上升沿到来时，使得时钟管理子模块PMU_ClkManagement中的门控使能信号不使能，芯片内部各功能模块的时钟被关闭。

正常工作模式与休眠工作模式的切换过程中，除了时钟的切换与向空闲工作模式切换时类似外，另外增加了与电源相关的功能。由正常工作模式向休眠工作模式切换时，首先将时钟门控打开，PLL倍频模块关闭，将时钟切换至晶振时钟，再判断2KHz时钟是否已经稳定，如果稳定，将时钟切换至低速时钟并关闭晶振时钟，关闭数字核心区电源且使能隔离单元，然后再掉电，切换过程如图2左半部分流程图所示。

在由休眠工作模式向正常工作模式切换时，首先是要上电，在晶振稳定后，将系统时钟切换为高速，然后解除隔离，根据进入低功耗工作模式前芯片工作正常工作模式时是否打开PLL来决定是否重新使能PLL倍频，清除时钟门控和复位请求，进入正常工作模式，如图2右半部分流程图所示。

可掉电区域的电源关闭时，需要使能可掉电区和常开区之间的隔离单元，以防止可掉电区掉电信号对常开区造成不稳定的影响。在状态机切换过程中，使隔离信号使能，控制隔离单元起作用，如图5所示。隔离单元的插入通过统一功耗格式（Unified Power Format,UPF）脚本进行描述。将受状态机控制的隔离控制信号与隔离单元的使能端相连，隔离控制信号的有效电平也是在UPF脚本中进行规定，在需要隔离的信号中，对于高电平有效的数据信号，在隔离单元的输出端将其钳制为1，对于低电平有效的数据信号，隔离单元的输出端则将其钳制为0。

本实施例在分析了芯片系统结构、芯片内部电源系统和时钟系统的分布之后，通过功耗管理模块PMU对芯片的工作模式以及时钟等功能进行管理，PMU模块框图如图3所示，根据功耗管理的需要，将PMU内部模块划分为APB总线接口子模块、时钟门控子模块、状态机子模块、电源管理子模块、复位管理子模块、唤醒管理子模块、时钟源管理子模块等。

PMU模块挂接在APB总线上，PMU模块与系统的通信需要通过总线进行，因此首先需要与APB总线进行交互的接口模块APB Interface；与APBInterface直接进行信号交互的是clkgating子模块和FSM子模块，clkgating控制的是挂接在AHB总线和APB总线上功能模块的时钟关断或者打开，在正常工作模式时，可以通过配置门控模块的使能端来控制模块的时钟关断。FSM子模块是状态机管理子模块，通过APB总线配置芯片工作模式的切换，工作模式转变的过程也就是状态机切换的过程，如图1和图2所示，状态机的循环过中控制时钟、电源的开关条件成立，管理不同工作模式下对于时钟和电源的不同状态的要求。

由图3可知，状态机的切换与复位管理、唤醒管理、电源管理和时钟源管理有关。其中复位管理子模块和唤醒管理子模块负责接收复位请求、唤醒请求并且复位、唤醒相应的模块。PwrCtrl子模块负责数字核心区和FLASH区的上电、掉电控制，比如芯片由正常工作模式进入休眠工作模式，数字核心区和FLASH区域掉电，那么状态机在从正常工作模式进入休眠工作模式的切换过程中，会配置电源开关（power switch）关闭。Clksel子模块管理接收各个时钟源不同频率的时钟，包括PLL倍频后输出的高频时钟，对不同频率的时钟进行管理，根据不同工作模式或寄存器配置要求选择不同频率的时钟频率输出到总线，生成系统时钟。

本发明的一大亮点是芯片内部根据模块的性质不同，将其放在不同的电压区域内，其中数字核心区和FLASH区域可掉电，常开区不可掉电，如图6所示。

数字核心区包括Cortex-M3内核、ESRAM以及一些数字外设。整个数字核心区实行统一关断策略，整个区域的关断通过低压线性稳压器（lowdropout regulator,LDO）1.8V来实现，比如，在芯片进入休眠工作模式时，数字核心区的电源被关断，在由正常工作模式至休眠工作模式模式切换的过程中，首先关断的是晶振和PLL倍频时钟，如果2KHz时钟已经稳定，就将时钟切换为低速，再关断数字核心区的电源，状态机的切换使得LDO关断或打开的条件成立，在时钟的驱动下，将1.8V-LDO设置为不使能，也就不能再给数字核心区供电，同理将FLASH区域电源关断。

本实施例中，片内1.8V-LDO和片内3.3V-LDO输出端口需要连接到外部脚后要经过滤波电容的滤波后，再经过另一个外部电源脚输入到片内。在板级进行供电时，可以使用内部LDO的输出，也可以直接使用芯片外部电源供电。

常开区主要包括的是不能掉电的功能模块，比如PMU、GPIO_AO等，，数字核心区和FLASH区域与常开区之间，需要插入隔离单元，以保证掉电时不会对常开区的信号产生影响，隔离单元如图5所示。

数字核心区掉电后再上电，要恢复原本保存的数据，也需要一定时间，芯片内使用保留寄存器（retention register）来保存掉电后要恢复的内容，retention register比主寄存器要慢很多，掉电保存时的操作顺序为：停止时钟、保存、掉电，上电恢复时的操作顺序为：上电、恢复、恢复时钟。保存寄存器的插入也是在综合阶段通过UPF脚本插入，保存/恢复的控制信号也可以自动连接到保存寄存器，控制信号必须是在常开区，对寄存器传输级（RTL）的设计是透明的，通过在状态切换过程中的信号，使得保存/恢复的控制条件成立。

芯片采用的掉电方式是使电源线断开，常开区和可掉电区的地线复用，电源和地分别通过相应的端口port输入到芯片内部；电源线从常开区进入到可掉电区，连到在电源开关的一端，开关打开或关闭电源线后给可掉电区供电，如图7所示，经过电源开关控制后的电源线分别为VDD_PS_DIG和VDD_PS_FLASH，分别给数字核心区和FLASH区域供电。

经实验室测试，通过电子设计自动化（electronic design automation,EDA）工具分析芯片在不同工作模式下的功耗，读入芯片工作在不同工作模式下编译链接生成的目标文件和芯片前端设计代码综合所生成的网表，输出芯片不同工作模式下所消耗的功耗结果，本发明结果表明芯片在最深休眠工作模式下电流只有6.89uA，而传统方案，最深休眠工作模式下电流是mA级或几十uA，充分了说明本发明的可用价值。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，所述方法将芯片工作模式分为正常工作模式和低功耗工作模式两类，当芯片工作在正常工作模式时，可以根据具体应用的需求，配置芯片的工作频率，降低时钟频率以节省由于时钟不必要翻转所带来的大部分动态功耗；芯片不需要处理任务时则选择工作在低功耗工作模式，在低功耗工作模式下，芯片内部的时钟或某些区域的电源会自动进行关断，进而节省动态功耗和静态功耗。

2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，所述芯片的不同工作频率通过分频一个时钟源实现，也可以设计芯片时钟输入为多种时钟源。

3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，所述芯片内部电源在低功耗工作模式关断，芯片内部根据功能需求划分为多个电压区域。

4.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，无线传感器网络核心芯片通过状态机来控制工作模式在正常工作模式和低功耗工作模式间切换。

5.根据权利要求1或3或4所述的用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，芯片低功耗工作模式分为空闲工作模式和休眠工作模式，空闲工作模式只关断模块时钟，休眠工作模式关断模块时钟和芯片内部某些区域电源。

6.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其特征在于，设计方法将芯片工作模式分为两大类，正常工作模式和低功耗工作模式，工作模式的切换受控于状态机，其切换步骤为：

Ⅰ、当前工作模式为正常工作模式，需要进入的下一个工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下关断时钟、电源后进入低功耗工作模式，进入步骤Ⅱ；如果当前工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下进行唤醒，过程是以下步骤的逆操作；

Ⅱ、打开时钟门控，关闭各模块时钟输入，节省由模块内部不必要翻转带来的大量动态功耗；

Ⅲ、判断芯片在当前工作模式下是否使用了锁相环（phase-locked loop, PLL）倍频，如果使用PLL倍频，关断PLL后进入步骤Ⅳ，如果没有使用PLL倍频，直接进入步骤Ⅳ；

Ⅳ、将芯片系统时钟切换为晶振输出时钟；

Ⅴ、判断芯片2K Hz时钟是否稳定，如果2K Hz时钟稳定，将芯片系统时钟切换为2K Hz，如果不稳定，等待2K Hz时钟稳定后再进行切换；

Ⅵ、关闭晶振时钟输出；

Ⅶ、判断所进入低功耗工作模式是空闲工作模式还是休眠工作模式，如果是空闲工作模式，直接进入步骤Ⅺ，如果所要进入低功耗工作模式为休眠工作模式，则进入步骤Ⅷ；

Ⅷ、复位数字核心区各模块数据；

Ⅸ、使能可掉电区域和常开区之间的隔离功能，通过状态机判断状态，将隔离单元控制信号置位；

Ⅹ、通过状态机控制电源开关，将数字核心区、FLASH区域掉电；

Ⅺ、正式进入低功耗工作模式。

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