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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten
Schaltung, die über mehrere
getaktete digitale Schaltungsteile verfügt, die im Betrieb der Schaltung
zugeschaltet und abgeschaltet werden können.
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Integrierte
Schaltungen mit digital arbeitenden Schaltungsteilen werden mit
einer Betriebsfrequenz getaktet. Einzelne Schaltungsteile, zum Beispiel
die für
bestimmte Funktionen vorgesehenen einzelnen Module einer Schaltung,
können
im Betrieb der Schaltung zugeschaltet oder abgeschaltet werden,
so dass jeweils nur ein bestimmter Anteil der Schaltung aktiviert
ist. Dadurch kann der Funktionsablauf vereinfacht und der Stromverbrauch
gesenkt werden. Nachteilig ist dabei jedoch, dass beim Zuschalten
oder Abschalten der betreffenden Schaltungsteile Lastsprünge auftreten,
d. h. sprunghafte Änderungen
der Stromaufnahme der Gesamtschaltung. Diese Lastsprünge können durch
Gegenmaßnahmen
auf der analogen Schaltungsebene bis zu einem gewissen Grade kompensiert
werden. Algorithmen zur Anpassung der Schaltung an einen bestgeeigneten
Betriebspunkt arbeiten mit einer gewissen Verzögerung, weshalb das Auftreten
kurzzeitiger Strom- oder Spannungsspitzen mit diesen Algorithmen
nicht verhindert werden kann. Ein Versuch, die Stromaufnahme der
Gesamtschaltung durch eine geeignete Aktivierung oder Deaktivierung
von Schaltungsmodulen auszugleichen, ist nur begrenzt erfolgreich,
da die Module unterschiedliche Stromaufnahmen aufweisen und daher
eine vollständige
Kompensation der Lastsprünge
in der Regel nicht möglich
ist.
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In
der
DE 100 84 547
B4 ist ein Verfahren zur dynamischen Spannungsversorgungssteuerung
eines Prozessors geringen Energieverbrauchs beschrieben, bei dem
in Abhängigkeit
von der Verarbeitungsbelastung des Prozessors von dem Prozessor Ausgabesignale
erzeugt werden, die eine von wenigstens zwei möglichen Betriebsspannungen
und eine von wenigstens zwei möglichen
Betriebsfrequenzen kennzeichnen, und wobei in Abhängigkeit von
diesen Ausgabesignalen die Betriebsspannung des Prozessors eingestellt
und die Betriebsfrequenz des Prozessor modifiziert wird. Hierbei
wird der Prozessor zunächst
in einen Schlafmodus versetzt, und dann werden mit Hilfe der Ausgabesignale
Bits innerhalb spezieller Register oder Speicherplätze gesetzt, die
die gewünschten
Einstellungen der Betriebsspannung beziehungsweise der Betriebsfrequenz
kennzeichnen. In Abhängigkeit
von diesen Bits wird die Betriebsspannung beziehungsweise die Betriebsfrequenz
eingestellt. Mit diesem Verfahren soll insbesondere bei batteriebetriebenen
Schaltungen eine Stromeinsparung und somit eine verlängerte Betriebszeit
pro Batterieladung erreicht werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, die Stromaufnahme
einer integrierten Schaltung mit getakteten digitalen Schaltungsteilen,
die zu- und abgeschaltet werden, auszugleichen. Die Funktionsweise
der Schaltungsteile soll dabei nicht grundsätzlich verändert werden.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Betriebsfrequenz, die für
das Takten der digitalen Schaltungsteile vorgesehen ist, zusammen
mit einem Zuschalten oder Abschalten eines Schaltungsteiles geändert. Die Änderung
der Betriebsfrequenz wird dabei derart an die Stromaufnahme des
betreffenden Schaltungsteiles angepasst, dass bei dem Zuschalten
oder Abschalten ein möglichst
geringer, im Idealfall verschwindender Sprung in der Stromaufnahme
der Gesamtschaltung auftritt. In der Regel wird hierzu die Betriebsfrequenz
erniedrigt, wenn ein Schaltungsteil, das die Stromaufnahme der Schaltung
erhöht,
zugeschaltet wird, und die Betriebsfrequenz erhöht, wenn ein Schaltungsteil,
das die Stromaufnahme der Schaltung erhöht, abgeschaltet wird. Die
Stromaufnahme der einzelnen Schaltungsmodule und deren Abhängigkeit
von der Betriebsfrequenz kann gemessen und ausgewertet werden, so dass
beim Betrieb der Schaltung das Zu- und Abschalten der Schaltungsmodule
mit den passenden Änderungen
der Betriebsfrequenz verbunden werden kann. Ein geänderter
Wert der Betriebsfrequenz braucht nicht unbedingt beibehalten zu
werden, wenn zum Beispiel weitere Mittel zum Ausgleich der Stromaufnahme,
insbesondere in einer zum Betrieb der Schaltung verwendeten Software,
vorgesehen sind.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Verfahrens anhand
der beigefügten Figuren.
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Die 1 zeigt
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Betriebsfrequenz f, der
Stromaufnahme I und der Betriebsspannung U der Schaltung gemäß dem Stand
der Technik.
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Die 2 zeigt
ein der 1 entsprechendes Diagramm für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die 3 zeigt
ein Schema eines Schaltungsaufbaus mit mehreren getakteten digitalen Schaltungsteilen.
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Die 1 zeigt
ein Diagramm, in dem die gesamte Stromaufnahme I der Schaltung sowie
der Betriebsspannung U im zeitlichen Verlauf (t = Zeit) dargestellt
ist, wobei die Betriebsfrequenz f gemäß herkömmlichen Verfahren konstant
gehalten wird. Da das Diagramm nur die prinzipiellen Abläufe erläutern soll,
sind die zugehörigen
Einheiten der an den Achsen abgetragenen Größen weggelassen. Zur Erläuterung
der bei herkömmlichen
Schaltungen auftretenden Probleme anhand des Diagrammes wurde angenommen,
dass an drei Zeitpunkten t1, t3 und
t5 jeweils ein Schaltungsteil, das die gesamte
Stromaufnahme I der Schaltung erhöht, zugeschaltet wird und das
jeweilige Schaltungsteil an einem nachfolgenden Zeitpunkt t2, t4 beziehungsweise
t6 wieder abgeschaltet wird. Den auftretenden
Erhöhungen
der Stromaufnahme I entsprechen die in dem Diagramm wiedergegebenen
Verringerungen der Betriebsspannung U. Derartige Veränderungen
der Stromaufnahme und der Betriebsspannung im Betrieb der Schaltung
sind unerwünscht
und sollen durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Möglichkeit
vermieden werden. Zu diesem Zweck wird die Betriebsfrequenz f beim Zuschalten
oder Abschalten eines Schaltungsteiles um einen geeigneten Wert
verändert.
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Das
ist in der 2, die ein der 1 entsprechendes
Diagramm enthält,
für den
Fall zugeschalteter und wieder abgeschalteter Schaltungsteile dargestellt.
Es ist erkennbar, dass die Betriebsfrequenz f im zeitlichen Verlauf
nicht konstant gehalten wird, sondern jeweils beim Zuschalten eines
Schaltungsteils an den Zeitpunkten t1, t3 und t5 vermindert wird
und dass anschließend
während
eines Zeitintervalls, in dem das betreffende Schaltungsteil zugeschaltet
bleibt, die niedrigere Betriebsfrequenz beibehalten wird. Wenn das
betreffende Schaltungsteil an einem Zeitpunkt t2,
t4 beziehungsweise t6 wieder abgeschaltet
wird, wird die Betriebsfrequenz f auf den vorherigen Wert erhöht. Die
Lastsprünge
werden auf diese Weise eliminiert oder zumindest stark reduziert,
wie mit den nur leicht gewellten Kurven der Stromaufnahme I und
der Betriebsspannung U in dem Diagramm der 2 angedeutet
ist.
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Bei
jedem Zuschalten oder Abschalten eines weiteren Schaltungsteils,
das die Stromaufnahme der Schaltung ändert, wird die Betriebsfrequenz
entsprechend jeweils weiter erniedrigt beziehungsweise erhöht. Bei
Ausführungsformen
des Verfahrens kann zusätzlich
vorgesehen sein, nach einer ausreichenden Zeitspanne, während der
eine geänderte
Betriebsfrequenz verwendet wird, die Betriebsfrequenz unabhängig von
der Aktivierung der Schaltungsteile auf ihren vorherigen Wert zurückzusetzen,
insbesondere zumindest dann, wenn noch andere Mittel zum Ausgleich
der Stromaufnahme in der Schaltung vorgesehen sind.
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Bei
der Realisierung des Verfahrens wird zweckmäßigerweise benutzt, dass in
digitalen Schaltungen das Produkt f·If aus
der Taktfrequenz und der auf die Frequenz bezogenen Stromaufnahme
If die Stromaufnahme I ergibt. If kann für
jedes in Frage kommende Schaltungsteil oder Modul gemessen oder
rechnerisch bestimmt werden. Die betreffenden Werte können zum
Beispiel gespeichert werden und bei der Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung der
bei den Schaltvorgängen
erforderlichen Änderungen
der Betriebsfrequenz herangezogen werden.
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Die
Betriebsfrequenz wird vorzugsweise jeweils synchron mit dem Zu-
oder Abschalten eines Schaltungsteiles verändert, also in dem beschriebenen
Beispiel möglichst
genau zu den Zeitpunkten t1, t2,
t3, t4, t5 und t6. Dadurch
bleiben die gesamte Stromaufnahme I und die Betriebsspannung U zumindest nahezu
konstant, und durch das Ändern
der Betriebsfrequenz f kann ein sofortiger und weitestgehender Ausgleich
der Stromaufnahme der Gesamtschaltung für verschiedene Zustände unterschiedlicher
Aktivierung von Schaltungsteilen erreicht werden, ohne dass auch
nur kurzzeitige Lastsprünge
auftreten.
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In
dem oben beschriebenen Beispiel werden Schaltungsteile einzeln zugeschaltet
und vor dem Zuschalten eines weiteren Schaltungsteiles jeweils abgeschaltet.
Das Verfahren ist ebenso anwendbar, wenn ein Schaltungsteil für ein Zeitintervall
abgeschaltet wird oder wenn gleichzeitig oder nacheinander mehrere
Schaltungsteile zugeschaltet oder abgeschaltet werden, wobei die
Betriebsfrequenz nach Bedarf stufenweise immer weiter erniedrigt
beziehungsweise erhöht
wird.
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Die 3 zeigt
ein Blockschema einer integrierten Schaltung, die aus einer Mehrzahl
getakteter digitaler Schaltungsteile 1 aufgebaut ist. Über Signal- und
Versorgungsleitungen 2, die in der 3 vereinfacht
im Schema dargestellt sind, können
diese Schaltungsteile 1 zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
Wenn die Schaltungsteile 1 abgeschaltet werden, tragen
sie erheblich weniger zum gesamten Stromverbrauch der Schaltung
bei. Die Schaltvorgänge
sind mit den erwähnten
Lastsprüngen
verbunden. Als Beispiel wird eine integrierte Schaltung betrachtet,
die ein Core co umfasst, das den Hauptprozessor bildet, sowie einen
Kryptoprozessor cp, mit dem ein Kryptoalgorithmus, z. B. für Anwendungen bei
Chipkarten, implementiert ist. In diesem Beispiel werde angenommen,
dass das Core co im aktivierten Zustand eine auf die Frequenz bezogene
Stromaufnahme von If = 50 μA/MHz und
in einer Leerlaufbetriebsart (idle modus) eine auf die Frequenz
bezogene Stromaufnahme von If = 10 μA/MHz aufweist
und der Kryptoprozessor cp im aktivierten Zustand eine auf die Frequenz
bezogene Stromaufnahme von If = 25 μA/MHz aufweist.
Die Stromaufnahme der gesamten Schaltung soll stets f·If = 1 mA betragen. In diesem Beispiel ergeben
sich für
unterschiedliche Zustände
der Aktivierung der Schaltungsteile die folgenden Betriebsfrequenzen
f = 1000 μA/If:
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Core aktiv:
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f = 1000 μA/(50 μA/MHz) = 20 MHz;
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Core und Kryptoprozessor aktiv:
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f = 1000 μA/(75 μA/MHz) = 13,3 MHz;
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Kryptoprozessor aktiv und Core im Idle-Modus:
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f = 1000 μA/(35 μA/MHz) = 28,6 MHz.
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Mit
dem Umschalten der Betriebsfrequenz auf diese Werte wird für alle angegebenen
Zustände der
Aktivierung der Schaltungsteile eine gleichbleibende Stromaufnahme
erzeugt, was unter anderem die Lebensdauer der Schaltung erhöht.
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Der
Arbeitspunkt der Schaltung kann über
einen gegebenenfalls langsamen adaptiven Algorithmus eingestellt
werden, womit gewissermaßen
die grundsätzliche
Arbeitsweise der Schaltung festgelegt wird. Bei Aktivierung einzelner
Schaltungsteile, wie in dem angegebenen Beispiel des Kryptoprozessors, wird
eine sofortige Umschaltung der Betriebsfrequenz durchgeführt, womit
die gesamte Stromaufnahme nach Möglichkeit
konstant gehalten wird. Das ist allenfalls mit einer Verlangsamung
einzelner Funktionsabläufe,
nicht jedoch mit einer prinzipiellen Funktionsänderung der Schaltung oder
der zugeschalteten Schaltungsteile verbunden. Der Betrieb eines
auf diese Weise zu- oder abgeschalteten Schaltungsteils wird daher
nicht weiter durch das Verfahren beeinflusst.
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Ein
besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass es in der Hardware
implementiert sein kann, so dass eine simultane Umschaltung der
Betriebsfrequenz bei dem Zu- oder Abschalten von Schaltungsteilen
möglich
ist. Wenn die Betriebsfrequenz dagegen durch Programmbefehle der
Software verändert
wird, geschieht das vor oder nach dem ebenfalls durch Programmbefehle
gesteuerten Zu- oder Abschalten des betreffenden Schaltungsteils, so
dass eine gewisse Verzögerung
zwischen dem Ausführen
des einen Programmbefehls und dem Ausführen des anderen Programmbefehls
unvermeidbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine
ohne allzu großen
Aufwand realisierbar Möglichkeit
geschaffen, die Stromaufnahme während
des Betriebs der Schaltung konstant zu halten, ohne dass auch nur
in kleinsten Zeitintervallen wesentliche Abweichungen auftreten.
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- 1
- Schaltungsteil
- 2
- Signal-
und Versorgungsleitung
- co
- Core
- cp
- Kryptoprozessor
- f
- Betriebsfrequenz
- I
- Stromaufnahme
- U
- Betriebsspannung