CN103716045A - 时钟信号控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种时钟信号控制方法及电路，用于互补金属氧化物半导体电路中的中央处理单元，所述时钟信号控制方法包含：当互补金属氧化物半导体电路的负载电流被使能时，产生第一时钟信号；在第一时段中，对第一时钟信号的周期进行选择性门控以产生第二时钟信号，其中第二时钟信号的时钟速率低于第一时钟信号的时钟速率；以及在第二时段中，对门控周期进行抖动操作以使第二时钟信号的时钟速率增加至等同于第一时钟信号的时钟速率；其中在第一时段以及第二时段中，第二时钟信号连续地被输入至互补金属氧化物半导体电路。本发明的时钟信号控制方法及电路能够消除当供应电源被打开时所引发的瞬时激波所造成的负面效应，以加强互补金属氧化物半导体的效能。

Description

时钟信号控制方法及电路

技术领域

本发明所揭露的是关于时钟信号控制方法及电路，更具体地说，本发明关于一种用于互补金属氧化物半导体（Complementary MetalOxide Semiconductor,CMOS）电路中的中央处理单元（CentralProcessing Unit,CPU）的时钟信号控制方法及电路。

背景技术

现代计算器系统建构在互补金属氧化物半导体技术的基础上，为数众多的便携式电子装置，诸如智能型手机以及平板计算机，使得运算技术需要在适当的功耗下仍保持低漏电。为了达到此需求，近代的互补金属氧化物半导体技术操作在较低的操作电压，并且使用具有较高临界电压的晶体管。

然而，上述特征会使得互补金属氧化物半导体对于供应电压的微小变化的抵抗能力下降，而能够侦测工艺、电压、温度（Process-Voltage-Temperature，PVT）变化以及调整某些系统参数的感测电路则可用来解决上述问题，但是感测电路并无法控制时钟周期变化所造成的功率变化。

由于智能型手机以及平板计算机的高功耗，近代的互补金属氧化物半导体技术采用积极的时钟门控技术以节省电池的电量消耗。当电子装置未使用时，会关闭其时钟信号，并且只有当用户对其重新进行操作或是内部指令要求时才会被启动。积极的时钟门控技术会产生很大的供应电源的电流变化，而供应电源可通过负载调整来适应这些电流变化，此外，系统的封装网络电感(package network inductance)意味着任何电流变化会引起系统导体的电压变化。上述的特性可能会造成时钟门控时互补金属氧化物半导体晶体管的电压瞬降，例如在电子装置在开启的情况下，供应电源调整提供给电子装置的功率电平的时候，供应电源中会出现瞬时激波（transient）。

为了能够完全正常操作电子装置，需要及早地处理此电压耗损，例如使用模拟电路的解决方式，即额外地提供电压给晶体管来补偿电压耗损，但此作法和互补金属氧化物半导体的低操作电压原则相悖，而数字控制方法则可提供较利落的解决方案。

发明内容

为了解决互补金属氧化物半导体电路中由于时钟门控造成的瞬时激波的技术问题，本发明特提供以下的互补金属氧化物半导体电路中的CPU的时钟信号控制方法及电路。

一种时钟信号控制方法，用于互补金属氧化物半导体电路中的中央处理单元，包含：当互补金属氧化物半导体电路的负载电流被使能时，产生第一时钟信号；在第一时段中，对第一时钟信号的周期进行选择性门控以产生第二时钟信号，其中第二时钟信号的时钟速率低于第一时钟信号的时钟速率；以及在第二时段中，对门控周期进行抖动操作以使第二时钟信号的时钟速率增加至等同于第一时钟信号的时钟速率；其中在第一时段以及第二时段中，第二时钟信号连续地被输入至互补金属氧化物半导体电路。

一种时钟信号控制电路，其用于互补金属氧化物半导体电路中的中央处理单元，包含：锁相环电路，产生第一时钟信号；以及软式启动电路，耦接至锁相环电路，选择性门控第一时钟信号，以产生第二时钟信号给中央处理单元，其中第二时钟信号的速率被选择性门控为至少在第一时段内低于第一时钟信号的速率。

本发明的时钟控制方法及电路能够通过消除当供应电源被打开时所引发的瞬时激波所造成的负面效应，以加强互补金属氧化物半导体的效能。

附图说明

图1为效能、热及功率管理系统的电路示意图。

图2为图1所示的效能、热及功率管理系统软式启动电路的电路示意图。

图3为依据本发明示范性实施例的时钟控制方法的示意图。

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来称呼特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接到第二装置。

图1为效能、热及功率（performance,thermal and power,PTP）管理系统100的功能图。效能、热及功率管理系统100包含有耦接至功率管理集成电路110的芯片150，而电路可以是芯片内（on-chip）或是芯片外（off-chip）的设计。芯片150包含模拟电路130、处理器(例如中央处理单元（Central Processing Unit,CPU）)120以及核心电路140。核心电路140包含有效能、热及功率控制器145，用来控制处理器120以及模拟电路130的操作。处理器120包含有频率控制电路121、感测模块123以及时钟传感器125，其中频率控制电路121耦接至模拟电路130。感测模块123可以包含一种或是多种类型的传感器，例如电压传感器、温度传感器、工作负载传感器或是可靠度传感器。芯片150可以是电熔丝（eFuse）、闪存或是任何其他内存类型。

时钟传感器125包含有软式启动（soft start）电路，软式启动电路耦接至锁相环的输出，众所皆知，锁相环用来在电子装置中产生脉冲时钟信号。在电子装置的闲置期间，锁相环会停止工作；一旦效能、热及功率管理系统100接收到来自使用者或是内部的命令，锁相环便会运作并产生时钟信号。

锁相环所产生的时钟信号会被输入至软式启动电路。若是时钟信号直接被输入至核心电路140，则会导致从供应电源汲取的电流产生很大的改变而造成电压瞬时激波（transient）。

请参考图2，图2为软式启动电路170的示意图。如后续说明书内文所详述，软式启动电路170会依据所产生的使能信号来选择性地门控锁相环（未显示于图中）所产生的频率。软式启动电路170包含有根时钟门控电路(root clock gate circuit)190，用以从核心电路140接收时钟输入信号(clock in)并且提供时钟输出信号(clock out)。除此之外，频率输入信号另被提供至自动停止侦测电路(auto stop detectcircuit)175以及时钟跳过抖动（clock skip dither）电路193，自动停止侦测电路175以及时钟跳过抖动电路193亦接收时钟使能信号。时钟跳过抖动电路193会产生一个抖动时钟使能输出(dither clock enableoutput)至根时钟门控电路190。时钟跳过抖动电路193另耦接至斜波产生器(ramp generator)181、保持关闭延迟（hold-off delay）电路187以及主状态机(main state machine)195。控制/状态接口180用来提供控制信号给上述的电路。上面提到的时钟跳过抖动电路193根据主状态机195的控制，接收锁相环的时钟信号的输入以及斜波产生器181产生的斜波，从而产生抖动时钟使能输出信号，并提供给根时钟门控电路190。根时钟门控电路190根据时钟跳过抖动电路193产生的抖动时钟使能输出信号，选择性地门控锁相环的时钟输入，从而产生需要的时钟输出信号。其中自动停止侦测电路175接收自由振荡时钟的输入而提供时钟给主状态机175。请注意，斜波产生器181在主状态机195的控制下，在需要的时候提供生成的斜波给时钟跳过抖动电路193，从而使时钟跳过的时钟周期逐渐变少。本领域的技术人员也可以采用其它的方式来调整时钟周期，此处不再赘述。

如上所述，若是直接使用锁相环来产生中央处理单元的时钟，可能会造成电压瞬时激波。本发明因此提出一种两阶段控制方法来控制时钟信号。

在该两阶段控制方法的第一阶段中，软式启动电路170每间隔一个时钟周期就选择性地门控锁相环所产生的时钟信号，好让该时钟能够有效地以二分之一的速度来启用。在其他实施例中，软式启动电路170也可用低于二分之一的速度来启用，例如是三分之一或四分之一等。换句话说，软式启动电路可以用低于锁相环产生的时钟信号的速度来启用，这可以参考瞬时激波的干扰的强度及大小来进行判断。尽管供应电源仍有可能会产生瞬时激波，选择性门控时钟可以让电子装置中的逻辑电路具有相较于传统作法的两倍（在二分之一的情形下）的启动时间（setup time）。较长的启动时间可允许晶体管能够在瞬时激波的干扰引起的较慢的操作速度下运作。

一旦电源瞬时激波稳定下来，上述第一阶段便可结束。在一些实施例中，可监控系统来判断负载是否稳定以决定进入下一阶段的时机。而实务上由于负载稳定所需的时间已知跟特定封装网络有关，因此大部分采用一个预定时段。

两阶段控制方法的第二阶段包含对所有门控关闭（gated-off）的频率进行抖动操作，直到频率增加到正常速度为止。锁相环在整个过程中会持续以全速操作，对频率进行抖动操作则可以控制时钟信号的有效频率。

假设锁相环所产生的时钟信号的一个周期具有100个输入时钟的周期，两阶段控制方法的第一阶段中的选择性门控使其中50个输入时钟周期被允许通过，而门控关闭另外的50个输入时钟周期。在两阶段控制方法的抖动阶段中，时钟门控使能的信号会从二分之一逐渐斜升至100%，且不会造成额外的瞬时激波。被门控关闭的信号会以稳定的速度降低，变成门控关闭49个输入时钟周期，然后是48个输入时钟周期，然后是47个输入时钟周期，以此类推。时钟信号将不会以高于供应电源能够追踪的速度来增加至全速，换句话说，有效时钟的增加速度必在供应电源的带宽范围内。

在两阶段控制方法结束之后，时钟会操作在全速且负载电流也会维持在最大值，接下来，此两参数可继续操作在最大值，直到下一次的空闲时间来到，届时负载电流会被降低且时钟信号会被门控关闭。

请参考图3，图3为本发明的时钟斜升机制的示意图。于图3中，A代表锁相环输出的时钟信号(如图2所示的时钟输入)，B代表软式启动电路170所输出的时钟信号(如图2所示的时钟输出)。图3同时绘示效能、热及功率管理系统100的负载电流以及供应电源瞬时激波。

在图3中的阶段1中（即两阶段控制方法中的第一阶段），会增加负载电流而对输入频率A门控，使得例如仅有半数的输入时钟周期会被输出。此半速时钟会维持一段够久的时间，好让所有瞬时激波能稳定下来。接着，在图3中的阶段2中（即两阶段控制方法中的第二阶段），通过减少门控关闭时钟的数量来将时钟速度缓慢地斜升至100%，如增加的负载电流所示，此外，斜升率(ramping rate)必须要足够慢以确保不产生任何额外的瞬时激波。第二阶段的时段可以是一段预定时间或是可程序化设定。在阶段2的尾声，输出时钟会操作在全速，即取消对所有时钟的门控关闭，且时钟信号A等于时钟信号B。在图3的最后阶段中，时钟被停止且负载电流被关闭。

应注意的是，在本发明的示范性实施例中，提出在第一阶段对时钟进行门控使得一半的时钟部分被门控关闭，然而也可对一半以上或是一半以下的时钟部分进行门控关闭。此外，也可改变两阶段控制方法中各阶段的时间长度。换句话说，上述范例仅为本发明的较佳实施例。

本发明的两阶段控制方法能够通过消除当供应电源被打开时所引发的瞬时激波所造成的负面效应，以加强互补金属氧化物半导体的效能。在第一阶段中选择性地对输入时钟进行门控操作可增加逻辑电路的操作时间，因此得以降低对晶体管的速度要求。在第二阶段中选择性地对这些门控时钟进行抖动操作可让频率速度增加至100%而不会引发额外的瞬时激波。

本领域中技术人员应能理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做许多更动与改变。因此，上述本发明的范围具体应以后附的权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种时钟信号控制方法，其用于互补金属氧化物半导体电路中的中央处理单元，包含：

当所述互补金属氧化物半导体电路的负载电流被使能时，产生第一时钟信号；

在第一时段中，对所述第一时钟信号的时钟周期进行选择性门控以产生第二时钟信号，其中所述第二时钟信号的时钟速率低于所述第一时钟信号的时钟速率；以及

在第二时段中，对门控的时钟周期进行抖动操作，以使所述第二时钟信号的所述时钟速率增加至等同于所述第一时钟信号的所述时钟速率；

其中在所述第一时段以及所述第二时段中，所述第二时钟信号连续地被输入至所述互补金属氧化物半导体电路。

2.如权利要求1所述的时钟信号控制方法，其特征在于，在所述第一时段中，所述第一时钟信号每间隔一个时钟周期就被门控关闭，使得所述第二时钟信号的所述时钟速率为所述第一时钟信号的所述时钟速率的二分之一。

3.如权利要求2所述的时钟信号控制方法，其特征在于，所述第一时段的时间长度等于让所述第二时钟信号中的瞬时激波安定的时段。

4.如权利要求1所述的时钟信号控制方法，其特征在于，所述第一时段的时间长度为基于所述互补金属氧化物半导体电路的预定时间。

5.如权利要求1所述的时钟信号控制方法，其特征在于，对门控的时钟周期进行抖动操作的步骤包含有：

以稳定速率逐渐减少门控的时钟周期的数量，直到没有时钟周期处于门控关闭的情况为止；

其中所述稳定速率为位于所述互补金属氧化物半导体电路的供应电源的带宽范围内的速率。

6.如权利要求1所述的时钟信号控制方法，其特征在于，所述第一时钟信号由锁相环所产生。

7.一种时钟信号控制电路，其用于互补金属氧化物半导体电路中的中央处理单元，包含：

锁相环电路，产生第一时钟信号；以及

软式启动电路，耦接至所述锁相环电路，选择性门控所述第一时钟信号，以产生第二时钟信号给所述中央处理单元，

其中所述第二时钟信号的速率被选择性门控为至少在第一时段内低于所述第一时钟信号的速率。

8.如权利要求7所述的时钟信号控制电路，其特征在于，所述第一时段为所述软式启动电路在被启动时开始的一段时间。

9.如权利要求7所述的时钟信号控制电路，其特征在于，所述软式启动电路包含：

斜波产生器；

时钟跳过抖动电路，耦接所述斜波产生器，根据所述第一时钟信号与所述斜波产生器，产生抖动时钟使能输出信号；以及

根时钟门控电路，耦接所述时钟跳过抖动电路，根据所述第一时钟信号与所述抖动时钟使能输出信号来产生所述第二时钟信号，以使所述第二时钟信号的速率在第二时段内升至所述第一时钟信号的速率。

10.如权利要求8所述的时钟信号控制电路，其特征在于，在所述第一时段中，所述第一时钟信号每间隔一个时钟周期就被门控关闭，使得所述第二时钟信号的速率为所述第一时钟信号的速率的二分之一。

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