CN107797644A

CN107797644A - 一种soc芯片动态电压频率调整实现方法

Info

Publication number: CN107797644A
Application number: CN201710924020.1A
Authority: CN
Inventors: 秦华标; 曹钦平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明公开了一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，其特征在于由软件层和硬件层两部分实现，软件层部分包含CPU频率调整策略、电压调整驱动、时钟频率调整驱动三部分；硬件层部分由电源管理芯片和CPU锁相环两部分组成。该方法首先对应用负载的动态分析和对芯片功耗的评估计算，找出合适的算法，最后通过外部电路，芯片内部控制单元，以及软件驱动控制来完成，从而能够满足SOC系统动态控制功耗的要求。

Description

一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法

技术领域

本发明涉及芯片电源管理控制技术领域，具体涉及一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，广泛适用于各种SOC系统芯片。

背景技术

现有技术中SOC芯片功耗的评估和计算如下所述。

嵌入式消费电子产品的发展趋势是：媒体处理与无线通信、3D游戏逐渐融合，其强大的功能带来了SOC芯片处理能力的增加，也带来了功耗的大幅增加，如何降低芯片功耗成为SOC发明需要解决的重要问题。

功耗技术分析如表1：

表1

从表1给出功耗分析可见，随着芯片工艺特征尺寸的减少，单位面积上的动态功耗和静态功耗都在不断增加。

SOC芯片功耗计算公式如下：

公式中：

是动态功耗部分。其中α为当前频率下的翻转率，这个值与IC工艺制程有关；C_eff为节点负载电容；V_dd为工作电压；f_clock为工作频率。

I_leakV_dd是静态功耗部分，其中I_leak为CMOS电路的漏电流，这个值也与IC工艺制程密切相关。

现有降低SOC芯片功耗的常用方法如下

1.降低α

降低α有两种方法：一是通过工具优化逻辑结构来降低α；二是通过编码方式来实现低的α，例如采用翻转码。假设每一次翻转都是有效和最优的，则αf_clock可视为一常数，但真实情况并非如此。

2.f_clock控制

对于f_clock，可以通过降频的方法来降低功耗，也可以在IC部分模块不用时，直接关闭该模块的时钟信号。关闭时钟信号的方式有三种：

1)由软件配置寄存器，在时钟产生端关闭时钟信号。

2)由硬件自行判断，在该模块处于空闲状态时自动关闭时钟信号，当该模块激活前使能时钟信号。

3)利用综合工具自动根据电路逻辑特点为寄存器的时钟端加入使能控制。

3.降低C_eff

C_eff因IC工艺制程的不同而存在较大的差别，选择合适的IC工艺制程可以有效降低C_eff。

4.降低V_dd

V_dd也受IC工艺制程的影响，先进的制程可以有效降低V_dd。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，克服现有技术存在的上述不足，具体技术方案如下。

一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，其由软件层和硬件层两部分实现，软件层部分包含CPU频率调整策略、电压调整驱动、时钟频率调整驱动三部分；硬件层部分由电源管理芯片和CPU锁相环两部分组成。

进一步地，软件层部分按照用户的设置和嵌入式系统的电源管理策略模式，得到目标工作频率，同时结合动态控制，最终实现对电压和工作频率的调整。

进一步地，硬件层部分的工作时钟频率由SOC片内的CPU锁相环组成，由软件层部分进行时钟频率的动态调整；电源管理芯片部分由SOC片外的DC-DC电压转换芯片组成，由软件层部分通过I2C总线进行电压的动态调整。

进一步地，软件层部分包括非硬件相关层和硬件相关层，其中非硬件相关层通过算法计算得到目标工作频率，并传递给硬件相关层；硬件相关层负责驱动时钟和电源管理芯片部分，实现对工作频率和供电电压的调整。

进一步地，电源管理策略模式包括高性能模式、低功耗模式、应用程序模式、按需模式、保守模式和交互模式；其中高性能模式和低功耗模式属于静态功耗控制模式，CPU工作频率不会随着系统负载动态调整，其余模式属于动态功耗控制模式。

进一步地，所述动态功耗模式具体是：在固定的时间间隔，检测CPU的空闲时间，如果小于设定值(缺省值20％)，则提高CPU工作频率，CPU的工作频率的上限不高于该模式下预先设定的最高工作频率；如果CPU空闲时间大于30％，则降低CPU工作频率，每次调整的幅度不低于当前频率的5％；CPU的工作频率的下限不低于该模式下预先设置的最低工作频率。

进一步地，动态功耗模式调整工作频率的操作为：先提升CPU电压，延迟等待一段时间，等待电压调整模块输出稳定的目标电压，然后再提升CPU工作频率，这个延迟等待时间由电压调整芯片的响应时间以及外置电容的大小决定。

进一步地，对于硬件层部分的电源管理芯片部分，CPU通过I2C进行配置，电压管理通过监测可变电压区的电流实现性能监控；对于处理高性能需求的操作，CPU空闲时间少，电流需求大；对于处理低性能需求的操作，CPU空闲时间多，电流需求少。

进一步地，电源管理芯片部分由DC-DC电压转换芯片组成，由软件层部分能通过I2C总线进行控制和电压的动态调整。

进一步地，电压的动态调整步骤为：先调整DC-DC电压转换芯片的可调电阻，使其供电电压达到1000MHZ时钟频率的标准电压0.93V，确保SOC的CPU可以工作在1000MHZ时钟频率；根据动态电压频率调整电压和工作频率的配置，确认SOC在各种电压和工作频率组合都能正常工作。

本发明基本原理在于动态调整SOC芯片的运行频率和电压，在不同的应用场景，通过软件动态调整频率和电压的比例关系，达到降低功耗的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.在既定的工艺制程下，SOC可以在一定电压范围内正常工作。

2.SOC工作在不同任务下所需的最低工作频率不同，在一些性能要求高的任务需要较高的工作频率，相反在一些性能要求不高的任务只需要较低的工作频率。目前SOC产品功能和应用场景的多样性决定了SOC工作状态存在频繁地切换，因此可以通过本发明的动态电压频率调整的技术实现功耗优化。

3.本发明的基本做法是在IC发明阶段通过静态时序分析，预先得到SOC在不同电压下可以运行的最高频率，比如说在0.84V电压下工作时，SOC的工作频率只能到700MHz，在0.93V电压下工作时，SOC的工作频率可以到1000MHz。这些数据可以为最终芯片上调整动态电压频率调整参数表提供基本依据。

4.该方法首先对应用负载的动态分析和对芯片功耗的评估计算，找出合适的算法，最后通过外部电路，芯片内部控制单元，以及软件驱动控制来完成，从而能够满足SOC系统动态控制功耗的要求。

附图说明

图1是本发明实施方式中的一种SOC芯片动态电压频率调整设计框图。

图2是本发明实施方式中的电压管理芯片部分设计框图。

图3是本发明实施方式中的软件层部分框架图。

图4是本发明实施方式中的软件层部分工作流程框图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

1.本发明动态电压频率调整系统的实现架构

如图1所示，本发明的框图由软件层和硬件层两部分组成。软件层部分包含CPU频率调整策略和算法，电压调整驱动，时钟频率调整驱动三部分组成。硬件层部分由电源管理芯片，CPU锁相环两部分组成。

2.本发明动态电压频率调整系统的实现方法

1.本发明的动态电压频率调整系统是基于CPU根据嵌入式操作系统调度的需求，在自身频率需要变化时，同时进行电压变化，是一种根据CPU占用率来调整CPU频率和电压的方式。

2.本发明的SOC自适应动态电压频率调整系统,CPU处于一个电压可变的供电区域，称为CPU子系统,对于其他模块处于另一个电压不变的供电区域，称为外设子系统。CPU子系统与外设子系统之间有电平转换电路隔离不同的供电区域。

3.对于电源管理模块，CPU可以通过I2C进行配置，电压管理模块通过监测可变电压区的电流实现性能监控。对于处理高性能需求的操作，CPU空闲时间少，电流需求大；对于处理低性能需求的操作，CPU空闲时间多，电流需求少。

4.本发明可以使电源管理模块能根据专门的算法来自适应地预测电流的需求，而且预测的响应时间、额外功耗都比较小，即达到适时、恰好的电压要求。

3.本发明动态电压频率调整系统的硬件电源管理

本发明的电源管理芯片部分负责完成电压调整，这一模块由DC-DC电压转换芯片组成，由软件可以通过I2C总线进行控制和电压的动态调整。

本部分的框图如图2所示，其中DC-DC为DC-DC电压转换芯片，VDDCORE_CPU为CPU核心供电电压，VDDCORE为DC-DC供电电压，本部分的调试步骤如下：

1.先调整DC-DC电源转换芯片的可调电阻,使其供电电压达到1000MHz时钟频率的标准电压0.93V，确保SOC的CPU可以工作在1000MHz时钟频率。

2.根据IC发明阶段提取的动态电压频率调整电压和工作频率的配置表2，确认SOC在各种电压和工作频率组合都能正常工作。

表2

工作频率(MHZ)	1600	1500	1400	1300	1200	1100	1000	900	800	700	600
												电压(V)	1.17	1.13	1.09	1.04	0.99	0.96	0.93	0.89	0.86	0.84	0.84

4.本发明动态电压频率调整系统的软件工作流程

如图3所示，本发明软件框架分为非硬件相关层和硬件相关层，非硬件相关层依托于linux、Android等嵌入式系统自身的电源管理策略。这一层通过算法计算得到目标工作频率，并传递给硬件相关层。硬件相关层负责驱动时钟和电源管理模块，实现对工作频率和供电电压的调整。

本发明软件工作流程的框图如图4所示。

1.用户选择功耗管理的策略模式，比如高性能模式，低功耗模式，应用程序模式，按需模式，保守模式和交互模式等。高性能模式和低功耗模式属于静态功耗控制模式，CPU工作频率不会随着系统负载动态调整。其他模式属于动态功耗控制模式。

2.动态功耗模式会随着系统负载动态调整工作频率，具体调整方法有：

2.1在固定的时间间隔，检测CPU的空闲时间，如果小于20％(缺省值)，则提高CPU工作频率。CPU的工作频率的上限不高于该模式下预先设定的最高工作频率。

2.2在固定的时间间隔，检测CPU的空闲时间，如果大于30％，则降低CPU工作频率。每次调整的幅度不低于当前频率的5％。CPU的工作频率的下限不低于该模式下预先设置的最低工作频率。

2.3软件调整工作频率的操作顺序为：提升CPU电压，延迟等待一段时间，等待电压调整模块输出稳定的目标电压，然后再提升CPU工作频率，这个延迟等待时间由电压调整芯片的响应时间以及外置电容的大小决定。

Claims

1.一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，其特征在于由软件层和硬件层两部分实现，软件层部分包含CPU频率调整策略、电压调整驱动、时钟频率调整驱动三部分；硬件层部分由电源管理芯片和CPU锁相环两部分组成。

2.根据权利要求1所述的一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，其特征在于软件层部分按照用户的设置和嵌入式系统的电源管理策略模式，得到目标工作频率，同时结合动态控制，最终实现对电压和工作频率的调整。

3.根据权利要求1所述的一种SOC芯片动态电压频率调整实现方法，其特征在于硬件层部分的工作时钟频率由SOC片内的CPU锁相环组成，由软件层部分进行时钟频率的动态调整；电源管理芯片部分由SOC片外的DC-DC电压转换芯片组成，由软件层部分通过I2C总线进行电压的动态调整。

4.根据权利要求1所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于软件层部分包括非硬件相关层和硬件相关层，其中非硬件相关层通过算法计算得到目标工作频率，并传递给硬件相关层；硬件相关层负责驱动时钟和电源管理芯片部分，实现对工作频率和供电电压的调整。

5.根据权利要求3所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于电源管理策略模式包括高性能模式、低功耗模式、应用程序模式、按需模式、保守模式和交互模式；其中高性能模式和低功耗模式属于静态功耗控制模式，CPU工作频率不会随着系统负载动态调整，其余模式属于动态功耗控制模式。

6.根据权利要求4所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于所述动态功耗模式具体是：在固定的时间间隔，检测CPU的空闲时间，如果小于设定值，则提高CPU工作频率，CPU的工作频率的上限不高于该模式下预先设定的最高工作频率；如果CPU空闲时间大于30%，则降低CPU工作频率，每次调整的幅度不低于当前频率的5%；CPU的工作频率的下限不低于该模式下预先设置的最低工作频率。

7.根据权利要求5所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于动态功耗模式调整工作频率的操作为：先提升CPU 电压，延迟等待一段时间，等待电压调整模块输出稳定的目标电压，然后再提升CPU工作频率，这个延迟等待时间由电压调整芯片的响应时间以及外置电容的大小决定。

8.根据权利要求1所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于对于硬件层部分的电源管理芯片部分，CPU通过I2C进行配置，电压管理通过监测可变电压区的电流实现性能监控；对于处理高性能需求的操作，CPU空闲时间少，电流需求大；对于处理低性能需求的操作，CPU空闲时间多，电流需求少。

9.根据权利要求8所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于电源管理芯片部分由DC-DC电压转换芯片组成，由软件层部分能通过I2C总线进行控制和电压的动态调整。

10.根据权利要求9所述的一种SOC的动态电压频率调整实现方法，其特征在于电压的动态调整步骤为：先调整DC-DC电压转换芯片的可调电阻，使其供电电压达到1000MHZ时钟频率的标准电压0.93V，确保SOC的CPU可以工作在1000MHZ时钟频率；根据动态电压频率调整电压和工作频率的配置，确认SOC在各种电压和工作频率组合都能正常工作。