CN115152146A - 数字块内部的模拟电路集成 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于感测集成电路的局部操作特性的电路。该电路可包括一个或多个传感器电路,该一个或多个传感器电路被配置为感测该集成电路的该局部操作特性。该传感器电路可从数字电源接收具有在有限范围内的量值的供电电压,该数字电源不同于向该集成电路中的功能电路提供电力的数字电源。电平移位器可耦接到该传感器电路,以将来自该传感器电路的输出信号移位到对应于向该集成电路中的功能电路提供电力的数字电源的电平。计数器和移位寄存器可耦接到该电平移位器以接收经移位的输出信号,该输出信号的值可用于确定如由该传感器电路感测到的该集成电路的局部操作特性。
Description
背景技术
技术领域
本文所述的实施方案涉及电子电路。更具体地,本文所述的实施方案涉及用于感测集成电路的局部电压和温度的电子电路。
相关技术描述
集成电路(IC)上的晶体管数量随着特征部尺寸的减小而相应地增加。每单位面积晶体管数量的增加导致IC的热输出相应地增加。此外,每单位面积晶体管数量的增加也对应于提供给IC上各种功能电路的供电电压的降低。这继而为平衡IC的性能、功率消耗和热输出带来了重大挑战。为此,许多IC实现了监测IC的各种度量(例如,温度、电压、电压降)的子系统,并且基于接收到的测量结果来调整性能。例如,控制子系统可响应于超过预定义阈值的温度读数来减小时钟频率、供电电压或两者。这可有助于使IC的操作保持在指定的发热限制范围内。此类控制系统也可在所测得的度量完全在限制范围内时提高某些功能电路的性能。
用于基于系统度量来控制性能的IC子系统通常包括一个或多个传感器和至少一个控制系统。在一些系统中,传感器可耦接以从与附近的其他电路分开的源(例如,受到严密控制的模拟电源)接收电源。然而,为传感器使用模拟电源可能需要复杂的计量来将模拟电源集成并耦接到数字电路块中的模拟元件。在一些系统中,已经设想了使用与数字电路块中的处理单元相关联的数字电源来向传感器提供供电电压。在此类系统中,供电电压的变化和提供给传感器的低供电电压电平可能会降低传感器的准确度和性能。
发明内容
可使用用于振荡器的数字电源将模拟传感器电路集成在数字功能电路块内部。该模拟传感器电路可包括用以感测数字功能电路块的局部操作特性的环形振荡器。在某些实施方案中,为数字功能电路块内的传感器电路使用基本上固定或有限范围的供电电压(例如,SRAM存储器电源)。使用基本上固定或有限范围的供电电压,这些传感器可提供对局部操作特性(例如,电压、温度或电流)的更准确的测量。电平移位器可耦接到这些传感器电路,以将来自这些传感器电路的输出信号的电平移位到对应于提供给数字功能电路块的供电电压的电平。
附图说明
当与附图结合时,通过参考根据本公开中描述的实施方案的目前优选的但仅为示例性实施方案的以下详细描述,将更充分地理解在本公开中描述的实施方案的方法与装置的特征和优点,在附图中:
图1描绘了集成电路的实施方案的框图。
图2描绘的图示示出了传感器的实施方案。
图3描绘的图示示出了实现串联耦接的反相器的传感器电路的实施方案。
图4描绘的图示示出了实现串联耦接的NAND门的传感器电路的实施方案。
图5的框图示出了用于采用两个环形振荡器的传感器的实施方案的操作概念示例。
图6的流程图示出了根据一些实施方案的用于确定传感器的电压和温度的方法。
图7是示例性系统的一个实施方案的框图。
尽管本文所公开的实施方案易受各种修改形式和替代形式的影响,但本发明的特定实施方案在附图中以举例的方式示出并在本文中详细描述。然而,应该理解,附图和对其的详细描述并非旨在将权利要求的范围限制于所公开的特定形式。相反,本申请旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本申请的公开内容的精神和范围内的所有修改、等同物和另选方案。
本公开包括对“一个实施方案”、“特定实施方案”、“一些实施方案”、“各种实施方案”或“实施方案”的引用。出现短语“在一个实施方案中”、“在特定实施方案中”、“在一些实施方案中”、“在各种实施方案中”或“在实施方案中”并不一定是指同一个实施方案。特定特征、结构或特性可以与本公开一致的任何合适的方式被组合。
在本公开内,不同实体(其可被不同地称为“单元”、“电路”、其他部件等)可被描述或声称成“被配置为”执行一个或多个任务或操作。此表达方式—被配置为[执行一个或多个任务]的[实体]—在本文中用于指代结构(即,物理的事物,诸如电子电路)。更具体地,此表达方式用于指示此结构被布置成在操作期间执行一个或多个任务。结构可被说成“被配置为”执行某个任务,即使该结构当前并非正被操作。“被配置为将积分分发到多个处理器内核的积分分发电路”旨在涵盖例如具有在操作期间执行该功能的电路的集成电路,即使所涉及的集成电路当前并非正被使用(例如电源未连接到它)。因此,被描述或表述为“被配置为”执行某个任务的实体指代用于实施该任务的物理的事物,诸如设备、电路、存储有可执行程序指令的存储器等。此短语在本文中不被用于指代无形的事物。
术语“被配置为”并不旨在意指“可配置为”。例如,未经编程的FPGA不会被认为是“被配置为”执行某个特定功能,虽然在编程之后其可能“可配置为”执行该功能。
所附权利要求书中的表述结构“被配置为”执行一个或多个任务明确地旨在对该权利要求要素不援引35 U.S.C.§112(f)。于是,所提交的本申请中没有任何权利要求旨在要被解释为具有装置-加-功能要素。如果申请人在申请过程中想要援引112(f)部分,则其将使用“用于[执行功能]的装置”结构来表述权利要求的要素。
如本文所用,术语“基于”用于描述影响确定的一个或多个因素。此术语不排除可能有附加因素可影响确定。也就是说,确定可仅基于指定的因素或基于所指定的因素及其他未指定的因素。考虑短语“基于B确定A”。此短语指定B是用于确定A的因素或者B影响A的确定。此短语并不排除A的确定也可基于某个其他因素诸如C。此短语也旨在覆盖A仅基于B来确定的实施方案。如本文所用,短语“基于”与短语“至少部分地基于”是同义的。
如本文所用,短语“响应于”描述触发效果的一个或多个因素。该短语并未排除其他因素可能影响或以其他方式触发效果的可能性。也就是说,效果可以仅仅响应于这些因素,或者可以响应于指定的因素以及其他未指定的因素。考虑短语“响应于B执行A”。该短语指定B是触发A的性能的因素。该短语不排除执行A也可能响应于某些其他因素,诸如C。该短语还旨在涵盖其中仅响应于B而执行A的实施方案。
如本文所用,术语“第一”、“第二”等充当其之后的名词的标签,并且不暗指任何类型的排序(例如,空间的、时间的、逻辑的等),除非另有说明。例如,在具有八个寄存器的寄存器文件中,术语“第一寄存器”和“第二寄存器”可用于指八个寄存器中的任两个,而不是例如仅逻辑寄存器0和1。
在权利要求书中使用时,术语“或”被用作包含性的或,而不是排他性的或。例如,短语“x、y或z中的至少一个”表示x、y和z中的任何一个以及它们的任何组合。
在以下描述中,阐述了许多具体细节,以提供对所述实施方案的透彻理解。然而,本领域的普通技术人员应当认识到,可在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方案的方面。在一些情况下,未详细示出熟知的电路、结构、信号、计算机程序指令和技术,以免模糊所公开的实施方案。
具体实施方式
图1描绘了集成电路(IC)的实施方案的框图。在所示的实施方案中,IC 100包括两个功能电路块,即处理单元(PU)130和PU 140。在各种实施方案中,可包括其他功能电路块,其中包括PU 130或PU 140的另外的实例。因此,本文示出了PU 130和PU 140作为示例性功能电路块,但并非旨在限制本公开的范围。PU 130和PU 140中的每一者可以是通用处理器内核、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数字信号处理单元或被配置为执行处理功能的几乎任何其他类型的功能单元/电路。本公开的范围可适用于这些类型的功能电路块中的任一者以及本文中未明确提及的其他功能电路块。本文示出的功能电路块的数量也是以示例方式示出的,因为本公开不限于任何特定的数量。
在某些实施方案中,PU 130是被配置为执行指令集中的指令并执行通用处理操作的通用处理器内核。因此,PU 130的功能电路132可包括各种类型的电路,诸如各种类型(整数、浮点等)的执行单元、寄存器文件、调度器、指令取出单元、各种级别的高速缓存存储器以及其他可在处理器内核中实现的电路。
在某些实施方案中,PU 130中的功能电路132耦接以从电源170接收第一供电电压Vdd1。电源170可以是数字电源,诸如处理单元电源。然而需注意,如本文所述,可在PU 130和功能电路132的各种实施方案内实现多个电源域,因此实现多个供电电压。此外,在电源管理电路(未示出)的控制下,提供给PU 130和功能电路132的供电电压可以是可变的。电源管理电路出于各种原因调整电压,诸如控制性能水平、热输出和功率消耗。
在某些实施方案中,PU 140包括功能电路142,该功能电路可实现各种类型的图形处理电路,使得PU 140成为GPU。这可包括图形处理内核、各种类型的存储器和寄存器等。在一些实施方案中,PU 140中的功能电路142耦接以从电源172接收第二供电电压Vdd2。电源172可以是数字电源,诸如处理单元电源。电源172和第二供电电压Vdd2可与电源170和第一供电电压Vdd1分开。
在某些实施方案中,PU 130和PU 140两者均包括多个传感器150。这里示出的传感器150的具体数量仅仅是示例性的,并且在实际的实施方案中该数量可更大、更小或相同。传感器150可被配置为用于感测PU 130或PU140的一个或多个操作特性(例如,处理单元的性能度量或参数)。在某些实施方案中,传感器150被配置为感测操作电压或操作温度值(例如,用于PU 130和/或PU 140的局部操作电压或操作温度值)。所感测的电压和温度值可进而用于确定其中实现的电路(例如,功能电路132或功能电路142)是否在限制范围内操作以及/或者是否能够具有更高的性能。在一些实施方案中,传感器150被配置为感测其他局部操作值,诸如但不限于电流。
在某些实施方案中,传感器150耦接到与其相应功能电路块中的功能电路相同的电源,以及附加电源。例如,如图1所示,PU 130中的传感器150耦接到提供供电电压Vdd1的电源170,以及提供供电电压Vdd3的电源174。对应地,PU 140中的传感器150耦接到提供供电电压Vdd2的电源172,以及提供供电电压Vdd4的电源176。因此,传感器150可接收供如本文所述的传感器利用的多个供电电压。
如上所述,电源170和电源172可以是处理单元电源(例如,用于CPU或GPU的电源)。不同处理单元电源可以提供的供电电压有差异。这些差异可能是由于例如分档到不同电源中的不同电压值,或对接收供电电压的处理单元的不同操作的分档而造成的。这些处理单元电源还可能因为DVFM(动态电压和频率管理)状态改变而经历供电电压的变化。电压的这些差异可能降低使用传感器150中的模拟电路元件进行的操作特性感测的准确性。另外,处理单元电源可提供低供电电压,这些低供电电压会降低使用传感器150中的模拟电路元件进行的操作特性感测的准确性。
在某些实施方案中,如图1所示,电源174和电源176提供数字电源电压,其中供电电压的量值在有限范围内。例如,电源174和电源176可以是固定数字电源、有限范围数字电源或它们的组合(例如,一个是固定数字电源,另一个是有限范围数字电源)。固定数字电源可以是为传感器150提供具有基本上固定量值的供电电压的电源。基本上固定的供电电压可以是固定在选定电压电平的电压,而电压可能存在围绕固定的选定电压电平的某种操作变化(例如,约±10%),使得所提供的电压的范围受到限制。有限范围数字电源可以是提供的电压量值可在小范围内变化(例如,介于约±10%与约±25%之间)的电源。
在一些实施方案中,固定数字电源或有限范围数字电源可提供量值保持高于最小电压量值的电压(例如,该电压不是如上所述的低供电电压)。例如,电源可提供被选择为确保使用传感器150中的模拟电路元件进行的操作特性感测的期望准确度的最小电压量值。所选择的最小电压量值可根据传感器150的操作参数和/或IC 100、PU 130和/或PU 140的操作特性而变化。可选择的最小电压量值的示例包括但不限于600毫伏、750毫伏和1000毫伏。
可将具有在有限范围内的量值的数字供电电压提供给下文所述的传感器150中的模拟电路元件,以提供对局部操作特性的更准确的感测。例如,电源174和电源176可以是不经历与处理单元电源相关联的分档电压变化或DVFM电压变化的数字电源。在一些实施方案中,电源174和电源176可以是向SRAM存储器单元(未示出)或利用IC 100中的固定或有限范围供电电压的其他功能电路块提供供电电压的电源。用于SRAM存储器单元和其他固定数字供电轨道或有限范围供电轨道的电源可在大型数字集成电路中广泛存在。因此,来自这些电源的供电电压可被引导到PU 130和/或PU 140中具有小电阻的传感器150。
在一些实施方案中,Vdd3和Vdd4是相同的供电电压。例如,电源174和电源176可提供相同的供电电压,或者电源174和电源176可以是将供电电压提供给PU 130和PU 140两者中的传感器150的单个电源。
图2描绘的图示示出了传感器150的实施方案。在某些实施方案中,传感器150包括传感器电路152和传感器电路154。然而,传感器150中的传感器电路的具体数量可变化。传感器电路152、154可包括操作以感测传感器150定位在其中的功能电路块的一个或多个操作特性的一个或多个元件。例如,传感器电路152、154可感测功能电路块的操作电压、操作温度或操作电流。在一些实施方案中,传感器电路152和传感器电路154感测不同的操作特性。例如,传感器电路152可感测操作电压,而传感器电路154感测操作温度。
在一些实施方案中,传感器电路152和传感器电路154包括环形振荡器。可使用反相器、NAND门、其他类型的反相电路以及它们的各种组合来实现环形振荡器。图3描绘的图示示出了实现串联耦接的反相器的传感器电路152的实施方案。图4描绘的图示示出了实现串联耦接的NAND门的传感器电路154的实施方案。
在某些实施方案中,如图2所示,传感器电路152和传感器电路154两者接收相同的供电电压(例如,用于定位在PU 130中的传感器150的Vdd3或用于定位在PU 140中的传感器150的Vdd4)。当传感器电路152和传感器电路154彼此靠近地定位时,可向这些传感器电路提供相同的供电电压。尽管传感器电路152和传感器电路154接收相同的供电电压,但是传感器电路可具有不同的电路具体实施(例如,不同的环形振荡器具体实施)以感测不同的操作特性。例如,传感器电路152可包括环形振荡器,在该环形振荡器以与传感器电路154中的处于相同操作条件下的环形振荡器不同的频率振荡。因此,根据下面的讨论,这可使由传感器电路152和传感器电路154中的环形振荡器产生的相应频率成为求解传感器150处的电压和温度的基础。
从固定数字电源或有限范围数字电源(例如,如上所述的电源174或电源176)向传感器电路152和传感器电路154提供供电电压可在利用传感器电路感测局部操作特性方面提供优点。例如,利用固定或有限范围供电电压,传感器电路152、154中的模拟电路元件(诸如环形振荡器)不受电压的变化和/或低电压的影响,这些现象原本可能会降低性能并且降低模拟电路元件的准确性(例如,如果传感器电路从诸如电源170或电源172的处理单元电源接收电力)。因此,提供固定或有限的供电电压可允许传感器电路152和154中的模拟电路元件以高性能能力操作并且提供在感测局部操作特性方面的改善的准确性。
在某些实施方案中,传感器电路152耦接到电平移位器156,传感器电路154耦接到电平移位器158。传感器电路152和154可输出响应于由传感器电路感测到的局部操作特性的值的信号。电平移位器156和158可使从传感器电路152和154接收到的输出信号的电平移位,并且分别向计数器160和162提供经移位的输出信号。来自传感器电路152和154的输出信号的电平可由电平移位器156和158移位以将输出信号改变为对应于用于传感器150中的附加部件(例如,计数器160和162)的供电电压,如下文所述。
在某些实施方案中,计数器160和162耦接到公共传感器164。公共传感器164可以是例如局部老化传感器。在一些实施方案中,公共传感器164在操作期间生成并向计数器160和162中的每一者以及寄存器166提供局部时钟信号。计数器160和162中的每一者可使用该局部时钟信号作为跟踪运行时间的定时器,从而允许计数器在测量期间累积计数。在一些实施方案中,与传感器电路152和154中的任一者相比,公共传感器164(在一个实施方案中可以是自激振荡器)对电压和温度变化可能不太敏感。参照具体的电路拓扑结构,公共传感器164可以是例如使用反相器、NAND门、其他类型的反相电路和它们的各种组合而实现的环形振荡器。还可改变用于实现电路的晶体管的各种参数,以实现公共传感器164的期望灵敏度。在一些实施方案中,公共传感器164可基本上不受电压和温度变化的影响,并且更一般地,与其他传感器电路152和154中的任一者相比,该公共传感器对这些变化可能不太敏感。
在一些实施方案中,公共传感器164耦接以向传感器150内的计数器160和162提供局部时钟信号。还设想了向每个计数器提供单独的时钟信号的其他实施方案。尽管使用公共传感器164实现了传感器150中的时钟电路的一个实施方案,但是需注意,其他实施方案中可使用能够生成时钟信号的其他类型的电路。一般而言,适用于生成适合用作时钟信号的周期性信号的任何类型的电路可用于在传感器150的各种实施方案中实现局部时钟电路。在一些实施方案中,公共传感器164不向传感器150外部的任何电路提供时钟信号。此外,在一些实施方案中,传感器150中的任何电路都没有耦接以从传感器外部的任何源接收时钟信号。参照其物理位置,公共传感器164可在IC 100上(或者更一般地在IC上)实现为靠近传感器150的其他电路。
在某些实施方案中,如图2所示,公共传感器164可接收供电电压Vdd1(或Vdd2,具体取决于处理单元)。因此,公共传感器164可接收对应于在处理单元中的功能电路(例如,PU 130中的功能电路132或PU 140中的功能电路142)中接收到的供电电压的供电电压。在此类实施方案中,电平移位器156和158用于分别将来自传感器电路152和154的输出信号移位到对应于用于PU 130中的传感器的Vdd1(或用于PU 140中的传感器的Vdd2)的电平。使用电平移位器156和158来使输出信号的电平移位允许耦接到公共传感器164和Vdd1/Vdd2的逻辑(例如,计数器160和162和寄存器166)跟踪对应于所感测的局部操作特性的信号。
在获取局部操作特性的测量结果期间,计数器160和162可分别从电平移位器156和158接收经移位的输出信号,从而分别跟踪传感器电路152和154的一个或多个计数值。计数器160和162中的计数值可进而指示分别由传感器电路152和154中的环形振荡器(或其他感测元件)产生的频率。由计数器160和162接收到的相应计数值可以是求解传感器150处的操作特性(例如,电压和温度)的基础。
除了具有不同的电路具体实施(例如,不同的环形振荡器具体实施)之外,如上文所述,传感器电路152和154可被设计成具有相对于彼此不同的与电压和温度的关系。例如,在一些实施方案中,传感器电路152或传感器电路154中的一者可被设计成使得与另一个传感器电路相比,其输出信号的频率对电压变化更敏感。类似地,传感器电路152或传感器电路154中的另一者可被设计成使得与另一个传感器电路相比,其输出信号的频率对温度变化更敏感。对于对电压变化更敏感的传感器电路,电压敏感传感器电路(例如,环形振荡器)的输出信号的频率可能更多地取决于电压,其中电压频率是大线性电压斜率的函数,而其与温度的关系可以是非线性的。类似地,对于对温度更敏感的传感器电路,温度敏感传感器电路(例如,环形振荡器)的输出信号的频率可能更多地取决于温度,其中温度频率是大线性电压斜率的函数,而其与电压的关系可以是非线性的。然而,由传感器150感测的电压和温度值可通过基于输出信号(例如,环形振荡器输出信号)的相应频率求解这些量来确定,如下文的示例所讨论的。
如图2所示,计数器160和162各自耦接到寄存器166。寄存器166可以是例如移位寄存器。使用寄存器166,MCC 102(在图1中示出并且在下文描述)可将信息输入到计数器160和162中,并且还可从这些计数器接收信息。例如,指示计数器用于跟踪由相应耦接的传感器电路的频率产生的计数值的运行时间的信息可经由寄存器166从MCC 102输入到计数器中。开始指示也可通过寄存器166输入。寄存器166可从计数器160和162接收在实际测量期间产生的计数值。根据图1所示的实施方案,这些值可通过计量总线113串行移位到MCC102,以用于计算电压值和温度值。其中寄存器166直接耦接到MCC 102的具体实施的实施方案也是可能的并进行了设想。
返回图1,在某些实施方案中,IC 100包括计量控制电路(MCC)102。MCC 102可在IC100的各种功能电路块中执行与传感器150操作有关的各种操作。在所示的实施方案中,MCC102经由计量总线113耦接到每个传感器150。在IC 100的操作期间,每个传感器150可执行对例如其相应环形振荡器的频率的读取,将该频率读数转换成数字格式,并且将该信息传输到MCC 102。在某些实施方案中,MCC 102是串行总线,并且信息可在该总线上移位,其操作方式类似于扫描链。然而,利用不同机构与传感器150进行通信的实施方案是可能的并进行了设想。
MCC 102可从每个传感器150经由其对应耦接的计量总线113实例接收频率信息。使用该频率信息,MCC 102可确定由每个传感器150感测的电压和温度。在一些实施方案中,MCC 102包括服务处理器111和存储器112。服务处理器111可执行软件例程的指令,以基于从每个传感器150接收到的频率信息来求解电压值和温度值。其中代替软件指令的执行而使用专用电路来执行这些任务的实施方案也是可能的并进行了设想。服务处理器可使用存储器112来存储各种信息,包括从传感器接收到的频率信息、所确定的电压和温度信息以及在执行计算期间产生的中间信息。存储器112还可存储表征其中的传感器和电路(例如,环形振荡器)的信息。存储器112可使用易失性存储器、非易失性存储器或其组合来实现。
在一些实施方案中,MCC 102包括传感器120的实例以及参考传感器107。MCC 102的传感器120耦接以接收供电电压Vdd5(如同服务处理器111和存储器112一样)。在一些实施方案中,传感器120可根据在IC 100上实现的传感器150的其他实例来配置。参考传感器107可从模拟电压供应AVdd接收其供电电压。在某些实施方案中,参考传感器107是不易受到过程、电压和温度变化影响的高准确度传感器。来自参考传感器107的温度读数可在校准期间用作参考,或者可用来确定何时可能需要重新校准。
用于电压和温度感测的环形振荡器的示例
图5的框图示出了用于采用两个环形振荡器的传感器的实施方案的操作概念示例。在一些实施方案中,每个传感器包括被设计为彼此具有不同的特性的两个环形振荡器。更具体地,环形振荡器RO1和RO2中每一者的输出信号频率可具有彼此不同的与电压和温度的相应关系。例如,RO1的输出信号的频率随电压的变化可能比随温度的变化更大,而RO2的输出信号的频率随温度的变化可能比随电压的变化更大。此外,为了提供另一示例,RO1输出信号的频率随电压的变化可能比RO2输出信号的频率随电压的变化更大,而RO2输出信号的频率随温度的变化可能比RO1输出信号的频率随温度的变化更大。一般而言,环形振荡器中的一者可能相对于另一者对电压变化更敏感,而另一环形振荡器可能对温度变化更敏感。
这两个环形振荡器可彼此非常接近地实现,并且因此可在基本上相同的电压和温度条件下操作。然而,由于它们的特性彼此不同,所以这两个环形振荡器可在相同的电压和温度条件下以不同的频率操作。该原理可使用来自每个环形振荡器的频率读数来确定传感器处的电压和温度。
在所示的示例中,两个环形振荡器RO1和RO2分别耦合到计数器1和计数器2。在读取时,可允许每个环形振荡器将其相应的耦合计数器来回切换预先确定的时间量。在已经过预先确定的时间之后,这些计数器可被冻结并且提供它们的计数值以指示频率。
环形振荡器RO1和RO2中的每一者均可通过多项式来表征。更具体地讲,由每个环形振荡器输出的频率可通过电压和温度的非线性函数来表征,其形式如方程1所示:
fRO=∑αijTiVj (1)
因此,RO1的频率可表征为:
fRO1=∑αijTiVj (2),
而RO2的频率可表征为:
fRO2=∑βijTiVj (3)。
上述方程中的“f”项可表示频率,或另选地,可表示振荡频率和相数的乘积与参考频率之比。该表达式中对应于给定环形振荡器的各项的数量的确定取决于该环形振荡器的特性。一般来讲,较高数量的非线性项会增加用多项式表示环形振荡器频率的准确性。
输出频率(或上述乘积)可提供给非线性方程求解器。使用表征环形振荡器的多项式,该联立方程组可求解由传感器检测到的电压和温度两者。在一个实施方案中,可以使用(图1的)服务处理器111和由其执行的软件指令来实现非线性方程求解器。更一般地,可使用硬件、软件、固件及其任何组合来实现非线性方程求解器。此外,可在对应的功能电路块中局部地执行非线性方程的求解,这在一些实施方案中是可能的且可设想的。
以上方程中的系数可基于实际的环形振荡器频率针对给定的一组电压和温度值来计算。考虑一个环形振荡器模型,其中使用用于计算环形振荡器特性的一组24个数据点(电压、温度和输出频率)的9项函数来定义频率。如果使用更多数量的数据点来确定系数,则所得到的函数可更好地表征对应的环形振荡器。该技术可被称为环形振荡器特性的表面拟合,并且可使用数值技术将一组大量的数据点映射到多项式。
作为一个示例,考虑环形振荡器的频率由以下表达式定义:
fRO=α22T2V2+α21T2V1+α20T2V0+α12T1V2+α11T1V1+α10T1V0+α02T0V2+α01T0V1+α00T0V0 (4)
如果环形振荡器频率的测量结果出现在以下范围内:
{(f0,V0,T0),(f1,V1,T1),...,(f23,V23,T23)},
那么可形成下列矩阵:
F=[f0 f1...f23] (5)
A=[α22 α21 α20 α12 α11 α10 α02 α01 α00] (6)
X=[X0 X1...X23],
其中Xj=[Tj 2Vj 2 Tj 2Vj 1 Tj 2Tj 0 Tj 1Vj 2 Tj 1Vj 1 Tj 1Vj 0 Tj 0Vj 2 Tj 0Vj 1 Tj 0Tj 0]T (7)。
因此,频率F可被定义为F=AX(8)。使用最小二乘估计可求解项A,从而计算初始表面拟合中的所有系数。
这个概念可扩展到具有各自如上所述表征的一组不同特性的两个环形振荡器。因此,彼此非常接近地放置、接收相同的供电电压并且在基本上相同的局部温度下操作的两个环形振荡器可用如下两个表达式表征:
以上假设两个环形振荡器用具有相等长度的多项式来表征,但这对于所有实例不一定是必需的。
使用分段线性(PWL)技术可降低求解上述联立方程组的复杂性。使用该技术,可使用一组PWL函数来描述环形振荡器的输出频率的二维非线性表面。在整个电压和温度上的操作表面可被分成多个三角形区域,对于每个三角形区域,可使用电压和温度的线性函数来描述对应区域的特性。因此,整个表面可被分成整数n个PWL区域,如下所述:
PWL函数中的每一者的系数可使用描述任何给定区域的三角形的三个顶点处的输出频率来确定。例如,对于描述在第一轴上的温度T1和T2以及在第二轴上的电压V1和V2之间延伸的三角形的PWL函数,其中在(T1,V1)、(T1,V2)和(T2,V1)处测得的频率分别由f1、f2和f3给出并且PWL的指数给出为i,则可求解以下方程组以便计算该区域中对应PWL函数的系数:
这可以针对每个区域进行重复以确定其PWL特性,从而确定环形振荡器的操作表面:
fRO=α22T2V2+α21T2V1+α20T2V0+α12T1V2+α11T1V1+α10T1V0+α02T0V2+α01T0V1+α00T0V0。
一旦两个环形振荡器均已用一组PWL函数表征,那么求解一组非线性方程就被简化为求解一组PWL方程。对于每个PWL计算,要求解的方程可通常如下所述:
求解这两个方程得出温度T和电压V,结果如下:
如前所述,本文所讨论的计算可在MCC 102中执行,具体地为在服务处理器111中执行。这可允许每个传感器150在小区域中实现并限制其功率消耗,因为它不需要执行频率到电压和/或温度的任何转换。更一般地,用于测量频率的特征部可在每个传感器150内实现,而用于PWL计算、针对工艺变化的校准以及同样地针对准确度的校准的那些特征部可在MCC 102内实现。
每个环形振荡器的表面拟合(并因此其相应的PWL表示)可随每个工艺角而改变并且也可受到局部芯片上变化的影响。而且,由于诸如老化等的影响,给定的环形振荡器的精确度可能会降低。因此,用于此类环形振荡器的校准方案可更新每个环形振荡器的特性。这些特性可基于来自每个环形振荡器的有限的一组精确测量结果来更新。如果给定环形振荡器的初始(但不准确)模型为
fRO_precal=∑i,jαijTiVi (15),
则可执行一组实际测量来更新系数,使得该环形振荡器的更精确模型如下:
该校准因子在初始模型和一组校准点两者中。精确度随点数量的增加而相应地增大。相反,校准算法的效率可基于最小数量的数据点由后校准模型的精确度来确定。
如果将初始模型(αij中的系数合并成以A0给出的矢量,则可使用递归方法针对每个单个校准点更新矢量:
Ak=Ak-1+ekG (18)。
在一个实施方案中,可使用递归最小二乘(RLS)技术来确定G矢量。这可继而导致相对较快地收敛到基于有限的一组校准数据的最终期望值。在使用RLS技术时,G矢量在每个步骤期间递归地更新。RLS技术可利用环形振荡器的如下另选的特性:
其中U是(i+1)(j+1)项的矢量,即:
U=[TiVj Ti-1Vj …T0V0] (20)。
由此,可形成对角矩阵:
对于任何校准点,可执行以下一组计算:
其中λ是遗忘因子,e是误差。
因此,使用诸如如上所述的递归最小二乘算法,可在校准规程期间更新表征环形振荡器的多项式的系数。此类校准可在不同的时间执行,诸如在系统启动时、在系统/IC的寿命期间的选定时间、响应于MCC 105中的参考传感器107和传感器120中大的变化等。因此,基于环形振荡器频率的电压和温度可在系统的使用寿命范围内以合理的精确度水平来确定,同时使得能够使用具有小占用面积的简单传感器。
示例性方法
图6的流程图示出了根据一些实施方案的用于确定传感器的电压和温度的方法。方法600可使用如本文所公开的传感器电路的任何实施方案,结合用以基于相应环形振荡器频率来求解电压和温度的任何电路或其他机构而实现。
在602处,在例示的实施方案中,在第一传感器电路处接收来自第一数字电源的第一供电电压,其中第一数字电源以具有在有限范围内的量值的供电电压提供第一供电电压,并且其中第一传感器电路产生响应于第一局部操作特性的值的输出信号。在一些实施方案中,第一数字电源以基本上固定的供电电压量值提供第一供电电压。在一些实施方案中,第一传感器电路包括耦接到第一数字电源的环形振荡器,其中该环形振荡器提供响应于第一局部操作特性的值的输出信号,并且其中第一计数器基于从第一传感器电路中的环形振荡器接收到的经移位的输出信号的频率来确定第一值。在一些实施方案中,在第二传感器电路处接收来自第一数字电源的第一供电电压,其中第二传感器电路产生响应于第二局部操作特性的值的第二输出信号,并且其中第二局部操作特性与第一局部操作特性不同。
在604处,在例示的实施方案中,使用耦接到第一传感器电路的第一电平移位器来使输出信号的电平移位,其中经移位的输出信号被移位成对应于由第二数字电源提供的第二供电电压。
在606处,在例示的实施方案中,在耦接到第一电平移位器的第一计数器处接收经移位的输出信号。
在608处,在例示的实施方案中,由第一计数器确定表示经移位的输出信号的第一值。在一些实施方案中,来自第一计数器的第一值被接收在耦接到第一计数器的移位寄存器中。
在一些实施方案中,在耦接到第二数字电源的环形振荡器处接收第二供电电压,在该环形振荡器处评估局部老化特性,并且从该环形振荡器提供对应于第一计数器的输出信号,其中该输出信号对应于该局部老化特性。
示例性计算机系统
接下来转向图7,它示出了系统700的一个实施方案的框图。在例示的实施方案中,系统700包括耦接到外部存储器702的集成电路100的至少一个实例。集成电路100可包括耦接到外部存储器702的存储器控制器。集成电路100耦接到一个或多个外围设备704以及外部存储器702。还提供了电源706,它向集成电路100供应供电电压以及向存储器702和/或外围设备704供应一个或多个供电电压。在一些实施方案中,可包括集成电路100的多于一个实例(也可包括多于一个外部存储器702)。
根据系统700的类型,外围设备704可包括任何期望的电路。例如,在一个实施方案中,系统700可以是移动设备(例如个人数字助理(PDA)、智能电话等),并且外围设备704可包括用于各种类型的无线通信的设备,诸如WiFi、蓝牙、蜂窝、全球定位系统等。外围设备704还可包括附加存储装置,该附加存储装置包括RAM存储装置、固态存储装置或磁盘存储装置。外围设备704可包括用户接口设备诸如显示屏,该用户接口设备包括触摸显示屏或多触摸显示屏、键盘或其他输入设备、麦克风、扬声器等。在其他实施方案中,系统700可以是任何类型的计算系统(例如,台式个人计算机、膝上型电脑、工作站、平板电脑等)。
外部存储器702可包括任何类型的存储器。例如,外部存储器702可以是SRAM、动态RAM(DRAM)(诸如同步DRAM(SDRAM))、双数据速率(DDR、DDR2、DDR3、LPDDR1、LPDDR2等)SDRAM、RAMBUS DRAM等。外部存储器702可包括安装了存储器设备的一个或多个存储器模块,诸如单列直插存储器模块(SIMM)、双列直插存储器模块(DIMM)等。
一旦充分了解了上面的公开,许多变型和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。本公开旨在使以下权利要求书被阐释为包含所有此类变型和修改。
尽管上文已经描述了具体实施方案,但这些实施方案并非要限制本公开的范围,即使仅相对于特定特征描述单个实施方案的情况下也是如此。本公开中提供的特征示例意在进行例示,而非限制,除非做出不同表述。上述说明书意在涵盖此类替代形式、修改形式和等价形式,这对知晓本公开有效效果的本领域技术人员将是显而易见的。
本公开的范围包括本文(明确或暗示)公开的任意特征或特征的组合或其任意概括,而无论其是否减轻本文解决的任何或所有问题。因此,在本专利申请(或要求享有其优先权的专利申请)进行期间可针对特征的任何此类组合作出新的权利要求。具体地,参考所附权利要求书,可将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征进行组合,并可通过任何适当的方式而不是仅通过所附权利要求书中所列举的特定组合来组合来自相应独立权利要求的特征。
Claims (20)
1.一种电路,包括:
第一数字电源,所述第一数字电源在使用期间提供第一供电电压;
第二数字电源,其中所述第二数字电源在使用期间提供具有在有限范围内的量值的供电电压;
第一电路,所述第一电路被配置为评估一个或多个局部操作特性,其中所述第一电路包括:
第一传感器电路,所述第一传感器电路耦接到所述第二数字电源,其中所述第一传感器电路被配置为提供响应于第一局部操作特性的值的输出信号;
第一电平移位器,所述第一电平移位器耦接到所述第一传感器电路,所述第一电平移位器被配置为从所述第一传感器电路接收所述输出信号并且提供对应于所述第一供电电压的第一经移位的输出信号;和
第一计数器,所述第一计数器耦接到所述第一电平移位器,其中所述第一计数器被配置为接收所述第一经移位的输出信号并且捕获表示所述第一经移位的输出信号的第一值。
2.根据权利要求1所述的电路,还包括耦接以从所述第一计数器接收所述第一值的移位寄存器。
3.根据权利要求1所述的电路,其中所述第一传感器电路包括耦接到所述第二数字电源的环形振荡器,所述环形振荡器被配置为提供响应于所述第一局部操作特性的所述值的所述输出信号。
4.根据权利要求3所述的电路,其中所述第一计数器被配置为基于从所述第一传感器电路中的所述环形振荡器接收到的所述第一经移位的输出信号的频率来确定所述第一值。
5.根据权利要求1所述的电路,其中所述第一电路包括耦接到所述第二数字电源的第二传感器电路,其中所述第二传感器电路被配置为提供响应于第二局部操作特性的值的输出信号,并且其中所述第二局部操作特性不同于所述第一局部操作特性。
6.根据权利要求5所述的电路,还包括:
第二电平移位器,所述第二电平移位器耦接到所述第二传感器电路,所述第二电平移位器被配置为从所述第二传感器电路接收所述输出信号并且提供对应于所述第一供电电压的第二经移位的输出信号;和
第二计数器,所述第二计数器耦接到所述第二电平移位器,其中所述第二计数器被配置为接收所述第二经移位的输出信号并且捕获表示所述第二经移位的输出信号的第二值。
7.根据权利要求5所述的电路,其中所述第二传感器电路包括耦接到所述第二数字电源的环形振荡器,所述环形振荡器被配置为提供响应于所述第二局部操作特性的所述值的所述输出信号。
8.根据权利要求5所述的电路,其中所述第一传感器电路的电路拓扑结构对电压的变化敏感,并且其中所述第二传感器电路的电路拓扑结构对温度的变化敏感。
9.根据权利要求5所述的电路,其中所述第二计数器被配置为接收所述第二经移位的输出信号并且捕获表示所述第二经移位的输出信号的第二值。
10.根据权利要求1所述的电路,其中具有在所述有限范围内的所述量值的所述供电电压是具有基本上固定量值的供电电压。
11.根据权利要求1所述的电路,还包括耦接到所述第一数字电源的环形振荡器,其中所述环形振荡器被配置为评估局部老化特性,并且其中所述环形振荡器耦接到所述第一计数器。
12.一种方法,包括:
在第一传感器电路处接收来自第一数字电源的第一供电电压,其中所述第一数字电源以具有在有限范围内的量值的供电电压提供所述第一供电电压,并且其中所述第一传感器电路产生响应于第一局部操作特性的值的输出信号;
使用耦接到所述第一传感器电路的第一电平移位器来使所述输出信号的电平移位,其中经移位的所述输出信号被移位成对应于由第二数字电源提供的第二供电电压;
在耦接到所述第一电平移位器的第一计数器处接收所述经移位的输出信号;以及
由所述第一计数器确定表示所述经移位的输出信号的第一值。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述第一传感器电路包括耦接到所述第一数字电源的环形振荡器,所述环形振荡器提供响应于所述第一局部操作特性的所述值的所述输出信号,并且其中所述第一计数器基于从所述第一传感器电路中的所述环形振荡器接收到的所述经移位的输出信号的频率来确定所述第一值。
14.根据权利要求12所述的方法,还包括将来自所述第一计数器的第一值接收在耦接到所述第一计数器的移位寄存器中。
15.根据权利要求12所述的方法,还包括:
在耦接到所述第二数字电源的环形振荡器处接收所述第二供电电压;以及
在所述环形振荡器处评估局部老化特性;以及
从所述环形振荡器提供对应于所述第一计数器的输出信号,其中所述输出信号对应于所述局部老化特性。
16.根据权利要求12所述的方法,还包括:
在第二传感器电路处接收来自所述第一数字电源的所述第一供电电压,其中所述第二传感器电路产生响应于第二局部操作特性的值的第二输出信号,并且其中所述第二局部操作特性不同于所述第一局部操作特性。
17.根据权利要求12所述的方法,还包括:
使用耦接到所述第二传感器电路的第二电平移位器来使响应于所述第二局部操作特性的所述值的所述第二输出信号的电平移位,其中经移位的所述第二输出信号被移位成对应于所述第二供电电压;
在耦接到所述第二电平移位器的第二计数器处接收所述经移位的第二输出信号;以及
由所述第二计数器确定表示所述经移位的第二输出信号的第二值。
18.一种集成电路,包括:
多个功能电路块,所述多个功能电路块各自包括功能电路;
第一数字电源,所述第一数字电源在使用期间提供第一供电电压;
第二数字电源,其中所述第二数字电源在使用期间提供具有在有限范围内的量值的供电电压;和
多个传感器,其中所述多个功能电路块中的每一个功能电路块包括在其中实现的所述多个传感器中的至少一个传感器,并且其中所述多个传感器中的至少一个传感器包括:
第一传感器电路,所述第一传感器电路耦接到所述第二数字电源,其中所述第一传感器电路被配置为提供响应于第一局部操作特性的值的输出信号;
第一电平移位器,所述第一电平移位器耦接到所述第一传感器电路,所述第一电平移位器被配置为从所述第一传感器电路接收所述输出信号并且提供对应于所述第一供电电压的第一经移位的输出信号;
第一计数器,所述第一计数器耦接到所述第一电平移位器,其中所述第一计数器被配置为接收所述第一经移位的输出信号并且捕获表示所述第一经移位的输出信号的第一值;
第二传感器电路,所述第二传感器电路耦接到所述第二数字电源,其中所述第二传感器电路被配置为提供响应于第二局部操作特性的值的输出信号,并且其中所述第二局部操作特性不同于所述第一局部操作特性;
第二电平移位器,所述第二电平移位器耦接到所述第二传感器电路,所述第二电平移位器被配置为从所述第二传感器电路接收所述输出信号并且提供对应于所述第一供电电压的第二经移位的输出信号;
第二计数器,所述第二计数器耦接到所述第二电平移位器,其中所述第二计数器被配置为接收所述第二经移位的输出信号并且捕获表示所述第二经移位的输出信号的第二值。
19.根据权利要求18所述的集成电路,其中对于所述多个传感器中的至少一个传感器,所述第一局部操作特性是至少一个功能电路块的操作电压,并且其中所述第二局部操作特性是所述至少一个功能电路块的温度。
20.根据权利要求19所述的集成电路,还包括控制电路,所述控制电路耦接到所述多个传感器中的所述至少一个传感器,其中所述控制电路被配置为确定所述至少一个功能电路块的所述操作电压和所述温度。
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