CN110568919B - 一种降低芯片功耗的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低芯片功耗的装置，包括IoT模块、计时器、状态转换模块、电源域控制模块，所述IoT模块连接外部网络，所述IoT模块、所述状态转换模块和所述电源域控制模块均连接所述计时器；IoT模块在固定周期内收发网络保持连接帧，并根据帧信息，决定下一周期物联网芯片睡眠或唤醒状态的步骤；状态转换模块用于处理物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤；电源域控制模块用于处理物联网芯片内部电源域的划分和相应的上电、断电步骤。本发明降低了物联网芯片的功耗，提高终端的续航能力。

Description

一种降低芯片功耗的装置
技术领域
本发明涉及基带芯片、连接性芯片设计技术领域，特别涉及一种降低芯片功耗的装置。
背景技术
SoC是System on Chip的缩写，直译是“芯片级系统”，通常简称“片上系统”。SoC芯片是由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。
随着技术的发展，芯片的集成度越来越高，对于SoC芯片的功耗要求也越来越高，尤其是SoC在物联网芯片上的应用，物联网(Internet of Things，缩写：IoT)是基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。IoT亟需由高效能、先进制程处理器转为以低功耗、高整合、小体积为设计的芯片，并支持无线通讯实体层、电源管理的物联网SoC，进而满足各个应用领域对镜片运算/联网功能的要求，同时，连网功耗是芯片总功耗不可忽略的一部分，对这一部分的功耗控制有利于缩减终端系统开发成本，将IoT浓缩至SoC系统级芯片的设计来说显得尤为重要。
因此，如何提供一种能够降低物联网芯片功耗的装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种降低芯片功耗的装置，在物联网(IoT)芯片中设计一套降低功耗的装置，使物联网(IoT)芯片实现低功耗运行以及与外围处理器芯片低功耗交互的目的。
本发明提供了一种降低芯片功耗的装置，包括IoT模块、计时器、状态转换模块、电源域控制模块，所述IoT模块连接外部网络，所述IoT模块、所述状态转换模块和所述电源域控制模块均连接所述计时器；
IoT模块在固定周期内收发网络保持连接帧，并根据帧信息，决定下一周期物联网芯片睡眠或唤醒状态的步骤；
状态转换模块用于处理物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤；
电源域控制模块用于处理物联网芯片内部电源域的划分和相应的上电、断电步骤。
优选的，所述IoT模块向所述外部网络在固定周期内发送保持连接帧，并接收所述外部网络反馈的保持连接帧信息；所述IoT模块根据反馈的保持连接帧信息控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤。
优选的，所述计时器在保持连接帧发射或接收的时间节点前，设置唤醒物联网芯片内所有模块的时间节点，并控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的唤醒步骤；
所述计数器在保持连接帧发射或接收的时间区间之外的周期时间内，控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠步骤。
优选的，还包括物联网芯片内部的微控制器MCU模块，所述MCU模块与所述计时器、所述状态转换模块连接；所述状态转换模块控制外围处理器芯片和物联网芯片在睡眠或唤醒状态进行转换包括：
当所述状态转换模块唤醒所述外围处理器芯片时，设置所述MCU模块IOT_WAKEUP信号为高电平，并将IOT_WAKEUP信号发送至所述外围处理器芯片；外围处理器芯片设置内部IOT_WACK信号为高电平，并将所述IOT_WACK信号发送至所述MCU模块；所述MCU模块将所述IOT_WAKEUP信号设置为低电平；外围处理器芯片和物联网芯片进入睡眠状态。
优选的，所述MCU模块未连接外围处理器芯片，设置所述MCU模块的IOT_ONOFF和IOT_WACK信号为高电平；当需要关闭物联网芯片功能时，设置所述MCU模块的IOT_ONOFF信号为低电平。
优选的，还包括电源管理单元PMU，所述电源管理单元PMU连接有IO管脚模块、所述MCU模块、计时器；所述状态转换模块设置物联网芯片的工作状态包括：上电缺省状态、唤醒状态和睡眠状态；
上电缺省状态下，电源仅向IO管脚模块，电源管理单元PMU供电；
唤醒状态下，IoT模块与外部网络进行数据传输；
睡眠状态下，在计时器的计时周期内，IoT模块与外部网络之间没有数据传输时，仅计时器工作。
优选的，所述电源域控制模块在物联网芯片内部设置不同的电源域达到不同状态下，关闭相应的电源域的电源，所述电源域控制模块包括MCU模块开关、IoT模块开关、计时器开关，所述MCU模块通过MCU模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述IoT模块通过IoT模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述计时器通过计时器开关与所述电源管理单元PMU连接：
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为高电平时，电源管理单元PMU将物联网芯片唤醒，开启MCU模块开关，此时物联网芯片MCU模块供电，MCU模块供电后，MCU模块接收到IOT_ONOFF中断，进入唤醒状态，MCU模块指示电源管理单元PMU开启IoT模块开关、计时器开关，此时所有模块供电。
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为低电平的中断，MCU模块指示电源管理单元PMU关闭IoT模块开关、计时器开关，关闭芯片内部其他模块的供电；MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU检测到MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU关闭MCU模块开关，芯片进入OFF状态。
优选的，所述电源域控制模块独立控制物联网芯片内各模块的电源设置的模块电源开启和断电，其中模块包括物联网芯片内部电源管理单元PMU、IO管脚模块、MCU模块、IoT模块和计时器：
当物联网芯片需要固定模块电源域工作时，启动相应模块独立电源的开启流程，相应模块完成电源启动后，即正常工作；
在物联网芯片不需要固定模块电源域工作时，启动相应模块独立电源的断电流程，模块即断电。
优选的，所述外围处理器芯片包括应用处理器AP芯片、微控制器MCU芯片。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明降低芯片功耗的装置，通过计时器循环发送保持连接帧，并执行提前唤醒操作，保证物联网(IoT)芯片能够正常的接收保持连接帧。这样可以在保持系统一直在线或者说连接网络的情况下，极大的降低物联网(IoT)芯片的功耗；同时，通过应用处理器AP芯片或者微控制器MCU芯片与物联网(IoT)芯片的交互方法，降低物联网(IoT)SOC芯片交互过程中产生的不必要的功耗，特别是降低开启物联网(IoT)芯片功能时的功耗的同时，达到保持系统一直在线或者连接网络的目的；还对物联网(IoT)芯片内的电源域进行有效划分，进一步在物联网(IoT)芯片内部设置不同的电源域达到不同状态下，关闭不同电源域的电源，达到降低功耗的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的物联网芯片内部状态机及状态条件转换图；
图2为本发明实施例提供的物联网芯片中的电源域划分图；
图3为本发明实施例提供的物联网芯片内部模块上电及断电过程状态机示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于具备联网功能的IoT芯片，需要通过网络连接实现数据的传输，但是在实际应用过程中，必然存在无数据传输的时刻，在该过程中，常规的IoT芯片设计为保持联网功能时刻开启，例如开启WIFI功能，开启蓝牙功能等，但是实际上并没有任何实际的数据传输，在此状态下，降低开启物联网(IoT)芯片功耗的同时，达到保持系统一直在线或者连接网络的目的非常重要。例如降低保持WIFI功能开启状态且无数据传输时的功耗。
本实施例公开了一种降低芯片功耗的装置，包括IoT模块、计时器、状态转换模块、电源域控制模块，所述IoT模块连接外部网络，所述IoT模块、所述状态转换模块和所述电源域控制模块均连接所述计时器。
IoT模块在固定周期内收发网络保持连接帧，并根据帧信息，决定下一周期物联网芯片睡眠或唤醒状态的步骤；状态转换模块用于处理物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤；电源域控制模块用于处理物联网芯片内部电源域的划分和相应的上电、断电步骤。
所述IoT模块向所述外部网络在固定周期内发送保持连接帧，并接收所述外部网络反馈的保持连接帧信息；所述IoT模块根据反馈的保持连接帧信息控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤。IoT模块需要在固定的周期X ms，发送一定的保持连接帧，定义保持连接帧的时长为Y ms，物联网(IoT)芯片在没有数据收发的(X-Y)ms左右时间内，都可以进入睡眠状态。
所述计时器在保持连接帧发射或接收的时间节点前，设置唤醒物联网芯片内所有模块的时间节点，并控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的唤醒步骤，在物联网(IoT)芯片内的IoT模块准备发射或接收下一周期保持连接帧之前，物联网(IoT)芯片通过TIMER的计时，提前唤醒整个芯片，并为其他模块上电，保证物联网(IoT)芯片的IoT模块能够正常的接收保持连接帧。所述计数器在保持连接帧发射或接收的时间区间之外的周期时间内，控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠步骤。这样可以在保持系统一直在线或者连接网络的情况下，极大的降低物联网(IoT)芯片的功耗。
物联网(IoT)芯片内部设置有MCU模块，所述MCU模块与所述计时器、所述状态转换模块连接。物联网(IoT)芯片接收下一周期保持连接帧，根据帧的信息，决定进入下次睡眠还是唤醒，如果物联网(IoT)芯片唤醒，此时物联网(IoT)芯片可能也需要唤醒应用处理器AP芯片或者微控制器MCU芯片。当所述状态转换模块唤醒所述外围处理器芯片时，所述状态转换模块控制外围处理器芯片和物联网芯片在睡眠或唤醒状态进行转换包括：
设置所述MCU模块IOT_WAKEUP信号为高电平，并将IOT_WAKEUP信号发送至所述外围处理器芯片；外围处理器芯片设置内部IOT_WACK信号为高电平，并将所述IOT_WACK信号发送至所述MCU模块；所述MCU模块将所述IOT_WAKEUP信号设置为低电平；
IoT模块在计时器的计时周期内，实时检测是由接收到来自外部网络的数据传输，若是，则物联网(IoT)芯片保持唤醒状态；若否，则外围处理器芯片和物联网芯片进入睡眠状态。
相应地，为了实现上述的交互流程，物联网(IoT)SOC芯片内部设置了状态转换模块、电源管理单元PMU，所述电源管理单元PMU连接有IO管脚模块、所述MCU模块、计时器；所述状态转换模块提供三种工作状态的转换控制。
上电缺省状态下，电源仅向IO管脚模块，电源管理单元PMU供电；
唤醒状态下，IoT模块与外部网络进行数据传输；
睡眠状态下，在计时器的计时周期内，IoT模块与外部网络之间没有数据传输时，仅计时器工作。
三种状态及转换条件见图1。图1为物联网(IoT)芯片内部状态机及状态条件转换图。
所述电源域控制模块在物联网芯片内部设置不同的电源域达到不同状态下，关闭相应的电源域的电源，所述电源域控制模块包括MCU模块开关、IoT模块开关、计时器开关，所述MCU模块通过MCU模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述IoT模块通过IoT模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述计时器通过计时器开关与所述电源管理单元PMU连接。
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为高电平时，电源管理单元PMU将物联网芯片唤醒，开启MCU模块开关，此时物联网芯片MCU模块供电，MCU模块供电后，MCU模块接收到IOT_ONOFF中断，进入唤醒状态，MCU模块指示电源管理单元PMU开启IoT模块开关、计时器开关，此时所有模块供电。在物联网(IoT)芯片内部设置不同的电源域达到不同状态下，关闭不同电源域的电源，达到降低功耗的目的。图2本发明为电源域控制模块的电源域划分。
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为低电平的中断，MCU模块指示电源管理单元PMU关闭IoT模块开关、计时器开关，关闭芯片内部其他模块的供电；MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU检测到MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU关闭MCU模块开关，芯片进入OFF状态。
电源域控制模块独立控制MCU模块、IoT模块、计时器的电源，电源域控制模块设置了一套模块电源开启和断电流程。具体如下：
当物联网(IoT)芯片需要某个电源域工作时，启动模块独立电源的开启流程，相应模块完成电源启动后，即可正常工作。
在物联网(IoT)芯片不需要某个模块工作时，可以启动模块独立电源的断电流程，模块即可断电，从而降低芯片的待机功耗。
上电及断电过程状态机如图3所示。图3为物联网(IoT)芯片内部模块上电及断电过程状态机示意图。
对上述状态机各状态解释如下：
Power_ON：在此状态下目标模块有电，处于正常工作状态
Pre_PD：目标模块有电，但正处于断电的过程中
PD_tmp：目标模块正处于断电的过程中
Power_OFF：目标模块处于断电状态
Pre_WK：目标模块正处于上电的过程中
WK_tmp：目标模块正处于上电的过程中
本发明基于此交互方法和芯片内部的装置，极大地降低了物联网(IoT)芯片的功耗。
以上对本发明所提供的一种降低芯片功耗的装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (4)

1.一种降低芯片功耗的装置，其特征在于，包括IoT模块、计时器、状态转换模块、电源域控制模块，所述IoT模块连接外部网络，所述IoT模块、所述状态转换模块和所述电源域控制模块均连接所述计时器；
IoT模块在固定周期内收发网络保持连接帧，并根据帧信息，决定下一周期物联网芯片睡眠或唤醒状态的步骤；状态转换模块用于处理物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤；具体包括：
所述IoT模块向所述外部网络在固定周期内发送保持连接帧，并接收所述外部网络反馈的保持连接帧信息；所述IoT模块根据反馈的保持连接帧信息控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠、唤醒步骤；IoT模块需要在固定的周期X ms，发送一定的保持连接帧，定义保持连接帧的时长为Y ms，物联网IoT芯片在没有数据收发的(X-Y)ms时间内，进入睡眠状态；
所述计时器在保持连接帧发射或接收的时间节点前，设置唤醒物联网芯片内所有模块的时间节点，并控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的唤醒步骤，在物联网IoT芯片内的IoT模块准备发射或接收下一周期保持连接帧之前，物联网IoT芯片通过TIMER的计时，提前唤醒整个芯片，并为IoT模块、状态转换模块上电，保证物联网IoT芯片的IoT模块能够正常的接收保持连接帧；所述计时器在保持连接帧发射或接收的时间区间之外的周期时间内，控制所述状态转换模块执行物联网芯片与外围处理器芯片之间的状态转换和相应的睡眠步骤；
物联网IoT芯片内部设置有MCU模块，所述MCU模块与所述计时器、所述状态转换模块连接；物联网IoT芯片接收下一周期保持连接帧，根据帧的信息，决定进入下次睡眠还是唤醒，如果物联网IoT芯片唤醒，此时物联网IoT芯片唤醒应用处理器AP芯片或者微控制器MCU芯片；
当所述状态转换模块唤醒所述外围处理器芯片时，所述状态转换模块控制外围处理器芯片和物联网芯片在睡眠或唤醒状态进行转换包括：
设置所述MCU模块IOT_WAKEUP信号为高电平，并将IOT_WAKEUP信号发送至所述外围处理器芯片；外围处理器芯片设置内部IOT_WACK信号为高电平，并将所述IOT_WACK信号发送至所述MCU模块；所述MCU模块将所述IOT_WAKEUP信号设置为低电平；
IoT模块在计时器的计时周期内，实时检测是否接收到来自外部网络的数据传输，若是，则物联网IoT芯片保持唤醒状态；若否，则外围处理器芯片和物联网芯片进入睡眠状态；
物联网IoTSOC芯片内部设置了状态转换模块、电源管理单元PMU，所述电源管理单元PMU连接有IO管脚模块、所述MCU模块、计时器；所述状态转换模块提供三种工作状态的转换控制；
上电缺省状态下，电源仅向IO管脚模块，电源管理单元PMU供电；
唤醒状态下，IoT模块与外部网络进行数据传输；
睡眠状态下，在计时器的计时周期内，IoT模块与外部网络之间没有数据传输时，仅计时器工作；
电源域控制模块用于处理物联网芯片内部电源域的划分和相应的上电、断电步骤；具体包括：
所述电源域控制模块在物联网芯片内部设置不同的电源域达到不同状态下，关闭相应的电源域的电源，所述电源域控制模块包括MCU模块开关、IoT模块开关、计时器开关，所述MCU模块通过MCU模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述IoT模块通过IoT模块开关与所述电源管理单元PMU连接，所述计时器通过计时器开关与所述电源管理单元PMU连接；
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为高电平时，电源管理单元PMU将物联网芯片唤醒，开启MCU模块开关，此时物联网芯片MCU模块供电，MCU模块供电后，MCU模块接收到IOT_ONOFF中断，进入唤醒状态，MCU模块指示电源管理单元PMU开启IoT模块开关、计时器开关，此时所有模块供电；
MCU模块接收到IOT_ONOFF设置为低电平的中断，MCU模块指示电源管理单元PMU关闭IoT模块开关、计时器开关，关闭芯片内部其他模块的供电；MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU检测到MCU模块进入standby状态，电源管理单元PMU关闭MCU模块开关，芯片进入OFF状态。
2.根据权利要求1所述一种降低芯片功耗的装置，其特征在于，所述MCU模块未连接外围处理器芯片，设置所述MCU模块的IOT_ONOFF和IOT_WACK信号为高电平；当需要关闭物联网芯片功能时，设置所述MCU模块的IOT_ONOFF信号为低电平。
3.根据权利要求1所述一种降低芯片功耗的装置，其特征在于，所述电源域控制模块独立控制物联网芯片内各模块的电源设置的模块电源开启和断电，其中模块包括物联网芯片内部电源管理单元PMU、IO管脚模块、MCU模块、IoT模块和计时器：
当物联网芯片需要固定模块电源域工作时，启动相应模块独立电源的开启流程，相应模块完成电源启动后，即正常工作；
在物联网芯片不需要固定模块电源域工作时，启动相应模块独立电源的断电流程，模块即断电。
4.根据权利要求1所述一种降低芯片功耗的装置，其特征在于，所述外围处理器芯片包括应用处理器AP芯片、微控制器MCU芯片。
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