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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Diese Offenbarung betrifft integrierte Schaltungen und insbesondere Schaltungen zum Ausgleichen von Leistung und Stromverbrauch.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Beim Anlegen von Strom an eine integrierte Schaltung (IC) werden oftmals Schutzbänder zwischen einer maximalen möglichen Versorgungsspannung und einer tatsächlich zugeführten Spannung implementiert. Zum Beispiel wenn die Schaltungen einer IC ohne fehlerhaften Betrieb bei 0,9 Volt funktionieren können, kann die zugeführte Versorgungsspannung bei 1,0 Volt liegen. Ähnlich können auch Taktfrequenzen auf einen Wert begrenzt werden, der tatsächlich kleiner als ein Höchstwert ist, bei dem die IC (oder die Funktionsschaltlogik darin) ordnungsgemäß betrieben werden könnte. Wenn zum Beispiel eine maximale Taktfrequenz, bei der eine bestimmte IC ordnungsgemäß arbeiten könnte, 1,1 MHz beträgt, kann das Taktsignal mit 1 MHz bereitgestellt werden.
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In vielen Fällen stehen die Versorgungsspannung und das Taktsignal insofern in Beziehung zueinander, indem eine IC in der Lage sein kann, bei einer höheren Taktfrequenz zu arbeiten, wenn eine höhere Spannung bereitgestellt wird. In einigen Fällen kann trotz Schutzbandspezifikationen eine IC, wie ein Prozessor, in einem Leistungszustand betrieben werden, der globale Schutzbandeinstufungen übersteigt (d. h. bei einer höheren Spannung und/oder Taktfrequenz als mit Schutzband eingestuft). Dies kann eine höhere Leistung und erhöhten Verarbeitungsdurchsatz für eine bestimmte IC zulassen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Unterspannungserkennungsschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer IC, die Selbige einschließt, sind offenbart. In einer Ausführungsform schließt eine IC eine Unterspannungsschutzschaltung ein, die einen ersten und einen zweiten Komparator aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie eine Versorgungsspannung mit einem ersten bzw. einem zweiten Schwellenwert vergleichen, wobei der zweite Spannungsschwellenwert größer als der erste ist. Eine Logikschaltung ist gekoppelt, um Signale vom ersten und zweiten Komparator zu empfangen. Während des Betriebs in einem bestimmten Leistungszustand durch eine entsprechende funktionelle Schaltung ist die Logikschaltung so konfiguriert, dass sie die Umsetzung eines Drosselsignals infolge einer Anzeige, dass die Versorgungsspannung unter den ersten Schwellenwert gefallen ist, veranlasst. Ein Taktsignal, das an die funktionelle Schaltung bereitgestellt wird, kann infolge der Anzeige gedrosselt werden. Wenn die Versorgungsspannung anschließend auf einen Pegel über dem zweiten Schwellenwert steigt, kann das Drosselsignal ausgesetzt werden. Während der Initiierung der Schaltung kann das Umsetzen des Drosselsignals verhindert werden, bis die Versorgungsspannung auf einen Pegel über dem zweiten Schwellenwert steigt.
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In einer Ausführungsform kann die Unterspannungserkennungsschaltung betrieben werden, wenn eine entsprechende funktionelle Schaltung in einem Hochleistungszustand oder einem Zustand beschleunigter Leistung arbeitet. Anderenfalls kann bei Betrieb in Zuständen niedrigerer Leistung das Umsetzen des Drosselsignals verhindert werden. Zähler, die mit den Ausgaben des ersten und zweiten Zählers gekoppelt sind, können bestimmen, wie oft die Versorgungsspannung ihre jeweiligen überwachten Schwellenwerte in einem festgelegten Zeitraum kreuzt. Wenn der mit dem ersten Komparator gekoppelte Zähler angibt, dass das Drosselsignal nicht zu oft umgesetzt wird (auf der Grundlage dessen, wie oft die Versorgungsspannung während eines bestimmten Zeitraums unter den ersten Schwellenwert gefallen ist), kann eine Stromverwaltungsschaltung die funktionelle Schaltung in einen Zustand beschleunigter Leistung versetzen, um bei einer höheren Versorgungsspannung zu arbeiten. Wenn zu oft gedrosselt wird, kann die Stromverwaltungsschaltung dann die funktionelle Schaltung in einen Zustand mittlerer Leistung, der eine Taktfrequenz unter der des Hochleistungszustands aufweist, versetzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende, detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden.
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1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung (IC).
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2 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Unterspannungserkennungsschaltung veranschaulicht, die zusammen mit einer Ausführungsform einer Stromverwaltungsschaltung betrieben wird.
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3 ist ein Zustandsdiagrammm, das den Betrieb einer Ausführungsform einer IC mit einer Unterspannungserkennungsschaltung veranschaulicht.
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4 ist ein Zustandsdiagramm, das den Übergang zwischen Leistungszuständen für eine funktionelle Schaltung veranschaulicht, die zusammen mit einer Ausführungsform einer IC betrieben wird, die eine Unterspannungserkennungsschaltung aufweist.
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5 ist ein Fließschema einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer IC mit einer Unterspannungserkennungsschaltung.
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6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines beispielhaften Systems.
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Obwohl der offenbarte Gegenstand in verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen auftreten kann, sind spezifische Ausführungsformen davon in den Zeichnungen in beispielhafter Weise dargestellt und werden hierin im Detail beschrieben. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung dazu nicht als den Gegenstand auf die bestimmte, offenbarte Form einschränkend gedacht sind, sondern dass die Erfindung im Gegenteil alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken soll, die in den Geist und den Umfang des offenbarten Gegenstandes fallen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist. Die hierin verwendeten Überschriften dienen nur organisatorischen Zwecken und sollen nicht verwendet werden, um den Umfang der Beschreibung einzuschränken. Wie in dieser Anmeldung verwendet, wird das Wort „können” im ermöglichenden Sinn (d. h. „das Potential besitzend zu” bedeutend) und nicht im zwingenden Sinn (d. h. „müssen” bedeutend) verwendet. Gleichermaßen haben die Wörter „einschließen”, „einschließlich” und „schließt ein” die Bedeutung „einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt”.
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Verschiedene Einheiten, Schaltungen oder andere Komponenten können als zum Durchführen einer oder mehrerer Aufgaben „konfiguriert” beschrieben sein. In solchen Kontexten ist „konfiguriert” eine breite Angabe von Struktur, die generell bedeutet, „Schaltlogik aufweisend, welche” die Aufgabe oder Aufgaben während des Betriebs durchführt. Insofern kann die Einheit/Schaltung/Komponente konfiguriert sein, die Aufgabe durchzuführen, auch wenn die Einheit/Schaltung/Komponente derzeit nicht eingeschaltet ist. Im Allgemeinen kann der Schaltkreis, der die Struktur ausbildet, die „konfiguriert” entspricht, Hardware-Schaltkreise und/oder einen Speicher einschließen, der Programmanweisungen speichert, die ausführbar sind, um den Betrieb zu implementieren. Der Speicher kann flüchtigen Speicher, wie beispielsweise statischen oder dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, und/oder nichtflüchtigen Speicher, wie beispielsweise optischen oder magnetischen Plattendatenspeicher, Flash-Speicher, programmierbare Nur-Lese-Speicher usw. einschließen. Ähnlich können verschiedene Einheiten/Schaltungen/Komponenten aus praktischen Gründen in der Beschreibung so beschrieben werden, dass sie eine oder mehrere Aufgaben durchführen. Solche Beschreibungen sollten so interpretiert werden, als würden sie den Ausdruck „konfiguriert” enthalten. Das Nennen einer Einheit/Schaltung/Komponente, die zum Ausführen einer oder mehrerer Aufgaben konfiguriert ist, soll ausdrücklich nicht nach 35 USC § 112, Absatz (f) (oder Vor-AIA-Absatz sechs) für die Einheit/Schaltung/Komponente gedeutet werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend auf 1 ist nun ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer IC dargestellt. IC 10, wie in 1 dargestellt, ist eine beispielhafte Ausführungsform, die zum Veranschaulichen verschiedener Gesichtspunkte dieser Offenbarung verwendet wird, sie soll jedoch nicht einschränkend sein. Eine große Vielfalt an IC-Ausführungsformen, die innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen, sind möglich und werden in Betracht gezogen. Obwohl IC 10 und die verschiedenen Schaltungen davon nachstehend des Verständnisses halber vereinfacht erörtert sind, versteht es sich zudem, dass ihre Funktionalität nicht auf das beschränkt ist, was explizit erörtert ist.
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IC 10 in der dargestellten Ausführungsform weist einen Spannungsregler (Vreg) 11, einen funktionellen Schaltungsblock 12, eine Stromverwaltungsschaltung 15, eine Taktgeneratorschaltung 17 und eine Unterspannungserkennungsschaltung 20 auf. Der funktionelle Schaltungsblock 12 umfasst Schaltlogik, die zum Durchführen der Hauptfunktionen der IC 10 konfiguriert ist. Eine solche Schaltlogik kann (ohne darauf beschränkt zu sein) Mehrzweckverarbeitungsschaltung, Grafikverarbeitungsschaltung, verschiedene Arten von Schaltungen als Schnittstelle zu externen Schaltungen von der IC 10, Speicherschaltungen (z. B. Caches, Register etc.) und so weiter einschließen. Mindestens ein Teil der Schaltlogik in IC 10 schließt synchrone digitale Schaltungen ein, die ein Taktsignal empfangen, obwohl auch kombinierbare digitale Logikschaltungen und analoge Schaltungen enthalten sein können.
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Das Taktsignal, das dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird, wird zu Beginn von der Taktgeneratorschaltung 17 erzeugt. Die Taktgeneratorschaltung 17 kann jede geeignete Art von Schaltlogik sein, die zum Erzeugen eines Taktsignals, wie einer Phasenregelschleife (PLL bzw. PRS) oder eines Lokaloszillators, geeignet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Taktgeneratorschaltung 17 auch Schaltlogik zum Formen des Taktsignals einschließen, um den Betriebszyklus auf einen gewünschten Wert zu regeln (z. B. 50%). Die Taktsignalausgabe von der Taktgeneratorschaltung 17, Ursprungs-Takt, kann an die Stromverwaltungsschaltung 15 bereitgestellt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Stromverwaltungsschaltung 15 so konfiguriert, dass sie verschiedene Stromverwaltungsfunktionen für die IC 10 ausführt. Einige Stromverwaltungsfunktionen können durch Steuern eines Leistungszustands des funktionellen Schaltungsblocks 12 durchgeführt werden. Ein gegebener Leistungszustand kann durch eine Frequenz des Taktsignals und die Versorgungsspannung, die dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird, definiert werden. Allgemein ausgedrückt sind die Leistungszustände, die eine größere Leistung bereitstellen sollen, jene mit höheren Taktfrequenzen und höheren Versorgungsspannungen. Leistungszustände, die den Stromverbrauch senken sollen, können jene mit niedrigeren Taktfrequenzen und niedrigeren Versorgungsspannungen sein. Somit kann die Stromverwaltungsschaltung 15 Schaltlogik einschließen, die in der Lage ist, die Frequenz des Taktsignals, das dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird, zu steuern. Die Stromverwaltungsschaltung 15 in der dargestellten Ausführungsform weist auch Schaltlogik auf, die sie in die Lage versetzt, die Versorgungsspannung, Vdd, zu steuern, die dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird.
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Es sei hier erwähnt, dass die Stromverwaltungsschaltung 15 und der Taktgenerator 17 Strom von einer oder mehreren anderen Spannungsquellen, die nicht explizit dargestellt sind, separat von der Versorgungsspannung, die dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird, empfangen können.
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Verschiedene Leistungsmaße und -daten können von dem funktionellen Schaltungsblock 12 an die Stromverwaltungsschaltung 15 bereitgestellt werden, damit Letztere geeignete Leistungszustände bestimmen kann. Die Leistungsmaße/-daten können aktuelle Verarbeitungslasten, Arten der Verarbeitungslasten (z. B. prozessorintensiv, speicherintensiv), innerhalb eines gegebenen Zeitraums ausgeführte/zurückgezogene Anweisungen, Temperaturwerte und so weiter einschließen. Mindestens teilweise auf der Grundlage dieser Informationen kann die Stromverwaltungsschaltung 15 die Frequenz des Taktsignals und die Versorgungsspannung, die dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird, steuern.
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In der gezeigten Ausführungsform weist die IC 10 einen Spannungsregler 11 auf, der so konfiguriert ist, dass er Strom von einer externen Stromquelle empfängt. Der Spannungsregler 11 in dieser Ausführungsform ist ein variabler Spannungsregler, und somit ist seine Ausgangsspannung steuerbar. In vielen Ausführungsformen kann der Spannungsregler 11 als Schaltspannungsregler (z. B. Abwärtswandler, Aufwärtswandler) implementiert sein, obwohl Ausführungsformen, die lineare Spannungsregler nutzen, auch möglich sind und in Betracth gezogen werden.
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Während des Betriebs der IC 10 kann der funktionelle Schaltungsblock 12 in verschiedene Hochleistungs-Betriebszustände versetzt werden. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird einer dieser Leistungszustände als Hochleistungszustand bezeichnet, während ein anderer davon als Zustand beschleunigter Leistung bezeichnet wird. Diese Zustände können bei höheren Spannungen und Taktfrequenzen betrieben werden als andere, wobei der Zustand beschleunigter Leistung die höchste Spannungs-/Frequenz-Kombination aufweist. Es sei jedoch erwähnt, dass die Definition dieser Zustände die Offenbarung nicht einschränken soll.
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Während des Betriebs im Hochleistungszustand oder im Zustand beschleunigter Leistung kann der Stromverbrauch durch den funktionellen Schaltungsblock 12 im Vergleich zur Stomabgabekapazität des Spannungsreglers 11 relativ hoch sein. Insbesondere kann der Stromverbrauch durch den funktionellen Schaltungsblock 12 während des Betriebs in diesen Leistungszuständen relativ zu anderen Leistungszuständen hoch sein. Gelegentlich kann der hohe Stromverbrauch die Stromabgabekapazität des Spannungsreglers 11 beanspruchen und somit zu einem Spannungsabfall von Vdd führen. Der Spannungsabfall (gelegentlich als ,Spannungseinbruch' bezeichnet) kann das ordnungsgemäße Funktionieren der Fähigkeit von Schaltungen innerhalb des funktionellen Schaltungsblocks 12 beeinträchtigen, wenn er unbeachtet bleibt. In der gezeigten Ausführungsform schließt die IC 10 die Unterspannungserkennungs-(UVD-)Schaltung 20 ein. Die UVD-Schaltung 20 kann eine am Knoten Vdd empfangene Spannung mit einem oder mehreren Schwellenwerten vergleichen. Auf der Grundlage des Erkennens, dass eine Spannung unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, kann die UVD-Spannung 20 ein Drosselsignal (,Drosselung'), das der Stromverwaltungsschaltung 15 bereitgestellt wird, umsetzen. Infolge des Umsetzens des Drosselsignals kann die Stromverwaltungsschaltung 15 für eine Zeit, die eine Erholung der Versorgungsspannung auf einen sicheren Pegel ermöglicht, das Taktsignal drosseln, das dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird. Wenn die UVD-Schaltung 20 erkennt, dass die Spannung auf einen sicheren Pegel zurückgekehrt ist, kann das Drosselsignal ausgesetzt werden. Die UVD-Schaltung 20 kann an die Stromverwaltungsschaltung 15 auch Informationen darüber bereitstellen, wie oft die Versorgungsspannung verschiedene Schwellenwerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums kreuzt. Auf der Grundlage dieser Informationen kann die Stromverwaltungsschaltung 15 den Leistungszustand des funktionellen Schaltungsblocks 12 ändern, indem sie die Versorgungsspannung und/oder die Frequenz des Taktsignals ändert.
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2 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Unterspannungserkennungsschaltung veranschaulicht, die zusammen mit einer Ausführungsform einer Stromverwaltungsschaltung betrieben wird. In der gezeigten Ausführungsform schließt die UVD-Schaltung 20 die Komparatoren 204 und 205 ein, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie die Versorgungsspannung, Vdd, mit entsprechenden Schwellenwerten vergleichen. Der Komparator 204 ist so gekoppelt, dass er eine erste Schwellenspannung vom Digital-Analog-Wandler (DAC) 202 empfängt, während der Komparator 205 so gekoppelt ist, das er eine zweite Schwellenspannung vom DAC 203 empfängt.
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Wenn die Versorgungsspannung unter den ersten Spannungsschwellenwert fällt, kann der Komparator 204 das Unterspannungs-(UV-)Signal umsetzen, das die Gegenwart einer Unterspannungsbedingung anzeigt. Eine Unterspannungsbedingung tritt auf, wenn die Versorgungsspannung unter eine Grenze fällt, die als sichere, untere Betriebsgrenze gilt. Zum Beispiel kann die Grenze als niedrigste mögliche Spannung definiert sein, bei der die logischen Funktionen einer IC ordnungsgemäß eine Logik-1-Spannung von einer Logik-0-Spannung unterscheiden. Die vorgesehene Grenze kann hier auf Grenzen beruhen, die während Charakterisierungstests oder durch einen anderen Mechanismus bestimmt werden. In einigen Fällen kann die Grenze ein Schutzband oder eine Sicherheitsspanne einschließen. Die Umsetzung des UV-Signals kann dazu führen, dass die UVD-Schaltung 20 das Drosselsignal umsetzt, das der Stromverwaltungsschaltung 15 bereitgestellt wird, die wiederum eine Drosselung des Taktsignals veranlassen kann.
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Wenn das Drosselsignal umgesetzt wurde und der Komparator 205 erkennt, dass die Versorgungsspannung über den zweiten Spannungsschwellenwert gestiegen ist, kann das Abschaltsignal (Voff) umgesetzt werden. Wenn dieses Signal umgesetzt wird, kann die Stromverwaltungsschaltung 15 das Drosselsignal aussetzen. Der zweite Spannungsschwellenwert kann auch als Arming-Spannung verwendet werden, um zu bestimmen, wann die Umsetzung des Drosselsignals aktiviert werden soll. Zum Beispiel beim Übergang in einen Leistungszustand, in dem Drosselung durchgeführt werden kann, kann eine Umsetzung des Drosselsignals verhindert werden, bis die Versorgungsspannung einen Wert erreicht hat, der mindestens gleich dem zweiten Spannungsschwellenwert ist, wie von dem Voff-Signal angegeben. Eine Umsetzung des Voff-Signals kann als Anzeige verwendet werden, dass die Versorgungsspannung auf einen Pegel gestiegen ist, der bei oder über dem zweiten Spannungsschwellenwert liegt, wonach die Umsetzung des Drosselsignals bei einem Fallen unter die erste Schwellenspannung nicht länger verhindert wird. Dies kann ein versehentliches Drosseln verhindern, wenn die Versorgungsspannung auf einen Pegel gebracht wird, der dem betretenen Leistungszustand entspricht.
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Die UVD-Schaltung schließt die Drossellogik 210 ein. Die Ausgabesignale UV und Voff von den Komparatoren 204 bzw. 205 können an einem Filter 218 empfangen werden. Der Filter 218 kann verwendet werden, um einen Übergang der Drosselsignalzustände aufgrund von Übergängen, die am Versorgungsspannungsknoten auftreten und von kurzer Dauer und anderweitig vernachlässigbar sind, zu verhindern. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform den Filter 218 als Tiefpassfilter implementieren, der nur wesentliche Spannungseinbrüche weiterleitet, aber Übergänge von sehr kurzer Dauer (und somit Hochfrequenzkomponenten umfassend) herausfiltert. Ein solcher Filter kann mithilfe digitaler oder analoger Schaltlogik, je nach den speziellen Ausführungsformen, implementiert werden.
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Die Drossellogik 210 schließt auch die Verhinderungslogik 222 ein, die zum Steuern der Umsetzung des Drosselsignals konfiguriert ist. Beim Betrieb in bestimmten Leistungszuständen, wie dem Hochleistungszustand und dem Zustand beschleunigter Leistung, die vorstehend genannt sind, kann die Verhinderungslogik ein Umsetzen des Drosselsignals veranlassen, wenn der Komparator 204 erkennt, dass die Versorgungsspannung kleiner als der erste Spannungsschwellenwert ist und kein vom Filter 218 herausgefilterter Übergang ist. Ähnlich, wenn die UVD-Schaltung armiert ist (d. h. das Drosselsignal aktiviert ist), kann die Verhinderungslogik 222 die Aussetzung eines ansonsten umgesetzten Drosselsignals veranlassen, da der Komparator 205 erkannt hat, dass die Versorgungsspannung auf mindestens den zweiten Spannungsschwellenwert gestiegen ist. Die Verhinderungslogik 222 ist auch so gekoppelt, dass sie ein Verhinderungssignal von der Stromverwaltungsschaltung 15 empfängt, das auch veranlassen kann, dass die Verhinderungslogik 222 das Umsetzen des Drosselsignals verhindert. Dies schließt Zeiten des Übergangs zu oder von einem Leistungszustand, in dem die UVD-Schaltung 20 armiert sein kann, sowie bei Betrieb in Leistungszuständen, wenn die UVD-Schaltung 20 nicht armiert ist, ein.
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Die UVD-Schaltung 20 schließt auch die Zähler 208 und 209 ein, die mit den Ausgängen der Komparatoren 204 bzw. 205 gekoppelt sind. Diese Zähler können verwendet werden, um Fälle aufzuzeichnen, in denen die Versorgungsspannungen die Spannungsschwellenwerte kreuzen, die ihren entsprechenden gekoppelten Zählern zugeordnet sind. In einer Ausführungsform können die Zähler für einen vorgegebenen Zeitraum arbeiten, bevor sie zurückgesetzt werden. Wenn ein Zähler ein Kreuzen eines entsprechenden Spannungsschwellenwerts mehr als eine bestimmte Anzahl von Malen innerhalb des vorgegebenen Zeitraums angibt, kann die Stromverwaltungsschaltung 15 eine Änderung des Leistungszustands im funktionellen Schaltungsblock 12 veranlassen. Zum Beispiel kann bei Betrieb in einem Zustand beschleunigter Leistung (d. h. dem Zustand der höchsten Leistung in dieser Ausführungsform) eine Anzeige, dass der erste Spannungsschwellenwert öfter als eine bestimmte Anzahl von Malen gekreuzt wurde, angeben, dass das Drosseln öfter als gewünscht auftritt. Infolge einer solchen Bestimmung auf der Grundlage des Zählwerts vom ersten Zähler kann die Stromverwaltungsschaltung 15 den Leistungszustand des funktionellen Schaltungsblocks 15 auf einen mit sowohl einer niedrigeren Taktfrequenz als auch einer niedrigeren Betriebsspannung reduzieren. Dies wird bezugnehmend auf 4 ausführlicher erläutert.
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Die Stromverwaltungsschaltung 15 in der dargestellten Ausführungsform schließt eine Zustandsmaschine 231, eine Takt-Gate-Schaltung 233 und eine Frequenzsteuerschaltung 235 ein. Die Frequenzsteuerschaltung 235 kann verwendet werden, um die Frequenz des Taktsignals entsprechend dem Leistungszustand, bei dem der funktionelle Schaltungsblock 12 betrieben werden soll, einzustellen. In einer Ausführungsform kann die Frequenzsteuerschaltung eine Taktmultiplikatorschaltung sein, während in einer Ausführungsform die Frequenzsteuerschaltung 235 eine Taktteilerschaltung sein kann.
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Allgemein ausgedrückt kann die Frequenzsteuerschaltung jede geeignete Schaltung zum Variieren der Frequenz des Taktsignals sein, die auf der Grundlage des empfangenen Ursprungstaktsignals erzeugt wird.
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Die Takt-Gate-Schaltung 233 in der dargestellten Ausführungsform wird verwendet, um zu verhindern, dass das Taktsignal dem funktionellen Schaltungsblock 12 bereitgestellt wird. In speziellen Ausführungsformen kann ein Drosseln mithilfe der Takt-Gate-Schaltung 233 erfolgen. Zum Beispiel kann ein Drosseln des Taktsignals erfolgen, indem veranlasst wird, dass die Takt-Gate-Schaltung 233 das Taktsignal für eine vorgegebene Zeitspanne verhindert. In einem anderen Beispiel kann das Drosseln erfolgen, indem veranlasst wird, dass die Takt-Gate-Schaltung alle N Zyklen (wobei z. B. N ein ganzzahliger Wert ist) verhindert wird. Im Allgemeinen kann ein Drosseln erfolgen, indem das Taktsignal temporär verhindert wird oder die Frequenz davon temporär reduziert wird. Es sei jedoch erwähnt, dass, obwohl hierin bestimmte Drosselmechanismen erörtert wurden, andere möglich sind und in Betracht gezogen werden.
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Die Zustandsmaschine 231 in der dargestellten Ausführungsform kann eine Reihe von Logikschaltungen, sowohl sequenziell als auch kombiniert, einschließen, die so konfiguriert sind, dass sie einen Leistungszustand des funktionellen Schaltungsblocks 12, Drosselwirkungen und andere Leistungssteuerungstätigkeiten bestimmen. Die Zustandsmaschine 231 in diesem Beispiel ist mit der UVD-Schaltung 20 über das Drosselsignal, Resetsignale (an die Zähler), Zählwertsignale (von den Zählern empfangen) und ein Verhinderungssignal (an die Verhinderungslogik 222) gekoppelt. Wie vorstehend erwähnt, kann das Drosselsignal als Folge davon umgesetzt werden, dass die Versorgungsspannung unter einen ersten Spannungsschwellenwert fällt, und kann umgesetzt bleiben, bis er auf einen Pegel gleich oder über einem zweiten Spannungsschwellenwert gestiegen ist. Die Zustandsmaschine 231 kann veranlassen, dass ein Drosseln des Taktsignals infolge der Umsetzung des Drosselsignals durch z. B. Umsetzen des Gate-Signals (Gate), das von der Takt-Gate-Schaltung 233 bereitgestellt wird, durchgeführt wird.
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Mithilfe der von den Zählern 208 und 209 empfangenen Zählwerte kann die Zustandsmaschine 231 bestimmen, wie oft die erste und die zweite Schwellenspannung während eines vorgegebenen Zeitraums gekreuzt wurden, und kann Änderungen am Leistungszustand veranlassen, wenn die Anzahl von Kreuzungen einen vorgegebenen Wert übersteigt. Der vorgegebene Wert kann in einigen Fällen vom aktuellen Leistungszustand des funktionellen Schaltungsblocks 12 abhängen. Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Zustandsmaschine 231 die Resetsignale umsetzen, wodurch die Zähler 208 und 209 zurückgesetzt werden.
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Die Zustandsmaschine 231 in der dargestellten Ausführungsform kann den Leistungszustand des funktionellen Schaltungsblocks 12 steuern. Wie vorstehend erwähnt, kann ein Leistungszustand durch eine Betriebsspannung und eine Taktfrequenz definiert sein. Zum Einstellen einer Betriebsversorgungsspannung kann eine Zustandsmaschine 231 Steuersignale Vctrl erzeugen, die an den Spannungsregler 11 übertragen werden, der dann die Versorgungsspannung entsprechend anpassen kann. Die Zustandsmaschine 231 kann die Frequenz über Frequenzsteuersignale F anpassen, die der Frequenzsteuerschaltung 235 bereitgestellt werden. Der Leistungszustand kann auf der Grundlage verschiedener Faktoren bestimmt werden, einschließlich der verschiedenen Leistungsmaße und -daten, die von dem funktionellen Schaltungsblock 12 empfangen werden, sowie der Zählwerte, die von den Zählern 208 und 209 der UVD-Schaltung 20 empfangen werden.
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Bezugnehmend auf 3 ist nun ein Zustandsdiagramm darstellt, das den Betrieb der IC 10 einer Ausführungsform mit der UVD-Schaltung 20 zeigt. Das Zustandsdiagramm 300 geht davon aus, dass die UVD-Schaltung 20 armiert ist und innerhalb eines einzelnen Modus betrieben wird. Ein Umschalten zwischen den Modi ist nachstehend im Bezug auf 4 abgedeckt. Es sei ferner erwähnt, dass das Zustandsdiagramm 300 auf andere Ausführungsformen einer IC angewendet werden kann, die die hierin beschriebene Funktionalität mithilfe anderer als der hierin explizit erörterten Mechanismen durchführen.
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Im Zustand 305 wird ein Drosseln verhindert, da das Drosselsignal nicht von der UVD-Schaltung 20 umgesetzt wird. Wenn die Versorgungsspannung unter einen Pegel fällt, der unter dem ersten Spannungsschwellenwert liegt, erfolgt ein Übergang in den Zustand 310. Im Zustand 310 wird das Drosselsignal umgesetzt, und infolge davon veranlasst die Stromverwaltungsschaltung 15 ein Drosseln des Taktsignals. Wenn die Spannung bei einem Pegel bleibt, der kleiner als der zweite Spannungsschwellenwert ist, bleibt die IC im 310, wobei das Drosselsignal umgesetzt wird und ein Drosseln des Taktsignals fortgesetzt wird. Wenn die Versorgungsspannung auf einen Pegel gleich oder größer als die zweite Schwellenspannung steigt, kann die IC 10 zurück in den Zustand 305 übergehen, wobei das Drosselsignal ausgesetzt wird und daran gehindert wird, solange die Versorgungsspannung größer als der erste Spannungsschwellenwert ist.
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4 ist ein Zustandsdiagramm, das den Übergang zwischen Leistungszuständen für eine funktionelle Schaltung veranschaulicht, die zusammen mit einer Ausführungsform einer IC betrieben wird, die eine Unterspannungserkennungsschaltung aufweist. Der hierin beschriebene Betrieb kann auf die verschiedenen vorstehend erörterten Schaltungsausführungsformen angewendet werden. Jedoch kann das Zustandsdiagramm 400 auch für andere Ausführungsformen gelten, die hierin nicht explizit erörtert sind, einschließlich jeder, die andere Mechanismen zum Erkennen von Unterspannungsbedingungen und als Reaktion darauf verwenden. Obwohl nur vier unterschiedliche Leistungszustände im Zustandsdiagramm 400 von 4 dargestellt sind, sind außerdem auch Ausführungsformen mit größerer oder kleinerer Anzahl von Leistungszuständen möglich und werden in Betracht gezogen.
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Der Zustand 405, wie in 4 dargestellt, ist ein Zustand niedriger Leistung, wobei die Versorgungsspannung bei einem Wert Vmin liegt und die Taktfrequenz bei einem Wert Fmin liegt. Von den in 4 dargestellten Zuständen hat der Zustand 405 die niedrigste Kapazität hinsichtlich des Verarbeitungsdurchsatzes. Während des Betriebs im Zustand niedriger Leistung 405 ist die UVD-Schaltung 20 nicht armiert, und es wird kein Drosseln des Taktsignals durchgeführt. Dementsprechend kann, wenn eine an die funktionelle Schaltung 12 angelegte Arbeitslast nicht schnell genug abgeschlossen wird, ein Übergang in den Hochleistungszustand im Zustand 415 vorgenommen werden. Die Bestimmung, ob eine Arbeitslast schnell genug verarbeitet wird, kann mithilfe verschiedener Mechanismen vorgenommen werden, wie Anweisungen oder Dateneinheiten in der Warteschlange für die Verarbeitung, Anzeigen strenger Latenzanforderungen und so weiter.
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Im Hochleistungszustand 415 wird die Versorgungsspannung von Vmin auf Vmax angehoben, während die Taktfrequenz von Fmin auf Fbst angehoben wird. Die Taktfrequenz Fbst kann eine Taktfrequenz sein, die größer als die höchste bewertete Taktfrequenz der IC 10 ist (z. B. Fmax). Betrieb bei einer Taktfrequenz von Fbst kann den Verarbeitungsdurchsatz der funktionellen Schaltung 12 erheblich erhöhen. Jedoch ist es wahrscheinlicher, dass Spannungseinbrüche in diesem Leistungszustand auftreten. Dementsprechend wird beim Übergang in diesen Leistungszustand die UVD-Schaltung 20 armiert und beginnt anschließend, die Versorgungsspannung zu überwachen.
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Ein Verlassen des Hochleistungszustands 415 kann über einen von zwei Wegen erfolgen. Wenn die Verarbeitungslast abgeschlossen ist und nachfolgende Arbeitslasten erheblich weniger Verarbeitungsanforderungen an den funktionellen Schaltungsblock 12 stellen, kann die IC 10 in den Zustand mittlerer Leistung 410 übergehen, wobei die Taktfrequenz von Fbst auf Fmax sinkt. Ein anderer Weg, den Hochleistungszustand 415 zu verlassen, ist durch Drosselung. Das Drosselsignal kann durch die UVD-Schaltung 20 umgesetzt werden, wobei das Drosseln des Taktsignals dort erfolgt. Wenn bestimmt wird, dass das Drosseln des Taktsignals zu oft erfolgt, wird ein Übergang in den Zustand beschleunigter Leistung 420 initiiert.
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Beim Übergang in den Zustand beschleunigter Leistung 420 wird die Versorgungsspannung Vmax auf Vbst erhöht. Ähnlich der beschleunigten Frequenz kann die Spannung Vbst höher als die normale, bewertete Spannung für IC 10 sein. Somit können im Zustand beschleunigter Leistung 420 sowohl die Versorgungsspannung als auch die Taktfrequenz außerhalb ihrer jeweiligen Schutzbänder betrieben werden.
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Ein Verlassen des Zustands beschleunigter Leistung kann über einen von zwei Wegen erfolgen. Wenn die Verarbeitungslast abgeschlossen ist oder es anderweitig eine erheblich reduzierte Verarbeitungsanforderung gibt, kann ein Übergang in einen Zustand niedriger Leistung 405 getätigt werden, indem die Versorgungsspannung und die Taktfrequenz auf Vmin bzw. Fmin gesenkt werden. Wenn andererseits das Drosseln im Zustand beschleunigter Leistung 420 weiterhin zu oft erfolgt, wird die IC 10 in den Zustand mittlerer Leistung 410 versetzt, wobei die Versorgungsspannung und die Taktfrequenz auf Vmax bzw. Fmax gesenkt werden. Dies kann den Abschluss der Verarbeitungslast erlauben, wenn auch langsamer als im Zustand beschleunigter Leistung 420. Da die UVD-Schaltung 20 im Zustand mittlerer Leistung jedoch nicht armiert ist, erfolgt keine Drosselung, und somit kann erlaubt werden, dass die Verarbeitungslast bis zum Abschluss bei Vmax und Fmax fortgesetzt wird. Ein Verlassen des Zustands mittlerer Leistung kann erfolgen, sobald die Verarbeitungsanforderung niedrig genug ist, um einen Übergang in den Zustand niedriger Leistung 405 zu erlauben. Es sei hier erwähnt, dass Vmax und Fmax als höchste Betriebsspannung bzw. Taktfrequenz innerhalb globaler Schutzbänder für die IC 10 definiert sind.
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5 ist ein Fließschema einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer IC mit einer Unterspannungserkennungsschaltung, wie der UVD-Schaltung 20. Das Verfahren 500 kann mithilfe verschiedener Ausführungsformen der vorstehend erörterten Schaltlogik durchgeführt werden. Ausführungsformen von Schaltungen, die das Verfahren 500 ausführen können, aber hierin ansonsten nicht erörtert sind, sind ebenfalls möglich und werden in Betracht gezogen. Es sei ferner erwähnt, dass das Verfahren 500 auf einen Übergang in den und Betrieb in dem Hochleistungszustand beschränkt ist und somit nicht die Bedingungen zum Verlassen desselben, wie vorstehend bezugnehmend auf 4 erörtert, einschließt. Dies soll jedoch nicht als einschränkend angesehen werden, da solche Bedingungen trotzdem gelten können.
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Das Verfahren 500 beginnt mit einem Übergang in den Hochleistungszustand aus einem anderen (Block 505) Zustand niedrigerer Leistung. Während des Übergang in den Hochleistungszustand wird die Versorgungsspannung vor der Taktfrequenz angehoben. Außerdem wird während des Übergangs das Drosselsignal verhindert (Block 510), bis die Versorgungsspannung mindestens den oberen Spannungsschwellenwert der beiden erreicht hat, mit dem die Versorgungsspannung von der UVD-Schaltung 20 verglichen wird. Sobald die Versorgungsspannung den oberen Spannungsschwellenwert überschritten hat, wird die UVD-Schaltung 20 als armiert angesehen (Block 515), und das Drosselsignal wird im Falle eines Spannungseinbruchs nicht mehr an der Umsetzung gehindert. Danach wird die Frequenz des Taktsignals auf den Wert entsprechend dem Hochleistungszustand (Block 520) erhöht.
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Wenn im Hochleistungszustand die Versorgungsspannung nicht unter dem unteren Schwellenwert liegt (Block 525, nein), dann wird der Betrieb bei der aktuellen Spannung und Taktfrequenz fortgesetzt. Wenn die Spannung unter den unteren Schwellenwert fällt (Block 525, ja), dann wird das Drosselsignal umgesetzt (Block 530). Danach kann ein Drosseln des Taktsignals durchgeführt werden. Wie vorstehend erwähnt, kann dies auf verschiedene Wege erfolgen, wie Verhindern des Taktsignals ganz und gar oder Verhindern des Taktsignals für eine bestimmte Anzahl M aller N Zyklen (wobei z. B. M = 1 und N = 2, um ein mögliches Beispiel zu verwenden). Wenn die Versorgungsspannung kleiner als der obere Spannungsschwellenwert ist (Block 535, ja), wird das in Block 530 durchgeführte Drosseln fortgesetzt. Wenn die Spannung anschließend auf einen größeren Wert als den oberen Spannungsschwellenwert steigt (Block 535, nein), dann wird das Drosselsignal ausgesetzt (Block 540) und das Drosseln wird nicht fortgesetzt. Danach wird der Betrieb im Hochleistungszustand bei den Werten der Versorgungsspannung und der Taktfrequenz für diesen Zustand fortgesetzt (Block 545).
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Die Verwendung der UVD-Schaltung 20, wie hierin erörtert, kann vorteilhafterweise ermöglichen, dass die funktionelle Schaltung 12 eine höhere Leistung erreicht, als sie im Betrieb innerhalb vorgeschriebener Grenzen verfügbar ist. Für die IC 10 (und somit die funktionelle Schaltung 12) können bestimmte Betriebsgrenzen hinsichtlich der Versorgungsspannung und der Taktfrequenz vorgeschrieben sein. Diese Grenzen können mit einem Schutzband gesetzt werden, das in einigen Fällen die Leistung begrenzt, auch wenn bestimmte Ereignisse (z. B. Spannungseinbrüche unter die Schwellenspannung) selten sind, sogar bei Betrieb über solchen Grenzen. Dementsprechend kann unter Verwendung der UVD-Schaltung 20 zum Erkennen von Spannungsabfällen der Versorgungsspannung die Stromverwaltungsschaltung 15 veranlassen, dass der funktionelle Schaltungsblock 12 in einem oder mehreren Leistungszuständen betrieben wird, in denen die Versorgungsspannung und/oder die Taktfrequenz über den vorgeschriebenen Grenzen liegen. Dies kann wiederum eine größere Leistung, wie einen größeren Verarbeitungsdurchsatz für Verarbeitungslasten, ermöglichen. Aufgaben im Zusammenhang mit diesen Verarbeitungslasten können in kürzerer Zeit abgeschlossen werden, was es wiederum der Stromverwaltungsschaltung 15 ermöglichen kann, den funktionellen Schaltungsblock 12 in einen Zustand niedrigerer Leistung für weniger intensive Arbeitslasten zu setzen, die anderenfalls möglicherweise verschoben werden würden, wenn die intensiveren Arbeitslasten auf Leistungszustände innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen beschränkt wären.
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Bezugnehmend auf 6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 150 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform schließt das System 150 mindestens eine Instanz einer integrierten Schaltung 10 ein, die mit einem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 kann eine Speichersteuervorrichtung einschließen, die mit dem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 ist mit einer oder mehreren Peripherieeinheiten 154 und dem externen Speicher 158 gekoppelt. Es wird zudem eine Stromversorgung 156 bereitgestellt, die der integrierten Schaltung 10 die Versorgungsspannungen sowie dem Speicher 158 und/oder den Peripherieeinheiten 154 eine oder mehrere Versorgungsspannungen zuführt. In manchen Ausführungsformen kann mehr als ein Beispiel der integrierten Schaltung 10 eingeschlossen sein (und es kann auch mehr als ein externer Speicher 158 eingeschlossen sein).
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Die Peripherieeinheiten 154 können jede gewünschte Schaltlogik beinhalten, abhängig vorn Typ des Systems 150. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das System 150 eine mobile Vorrichtung (z. B. ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein Smartphone usw.) sein, und die Peripheriegeräte 154 können Vorrichtungen für verschiedene Typen von drahtloser Kommunikation einschließen, wie Wi-Fi, Bluetooth, Mobilfunk, globales Positioningsbestimmungssystem usw. Die Peripheriegeräte 154 können auch zusätzlichen Speicher aufweisen, einschließlich RAM-Speicher, Festspeicher oder Plattenspeicher. Die Peripheriegeräte 154 können Benutzerschnittstellen-Vorrichtungen, wie einen Anzeigebildschirm, einschließlich Touchscreens oder Multitouchscreens, Tastatur- oder anderen Eingabevorrichtungen, Mikrofonen, Lautsprechern usw., einschließen. In anderen Ausführungsformen kann das System 150 irgendein Typ von Computersystem sein (z. B. Desktop-Personal-Computer, Laptop, Workstation, Tablet usw.).
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Der externe Speicher 158 kann jeden beliebigen Speichertyp beinhalten. Zum Beispiel kann der externe Speicher 158 SRAM, dynamischer RAM (DRAM), wie synchroner DRAM (SDRAM), Speicher mit doppelter Datenübertragungsrate (DDR, DDR2, DDR3, LPDDR1, LPDDR2 etc.) SDRAM, RAMBUS DRAM etc. sein. Der externe Speicher 158 kann ein oder mehrere Speichermodule einschließen, an denen die Speichervorrichtungen angebracht sind, wie Speichermodule mit einer Kontaktreihe (SIMM), Speichermodule mit zwei Kontaktreihen (DIMM) etc.
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Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann ersichtlich, sobald die vorstehende Offenbarung vollständig verstanden ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so interpretiert werden, dass alle solchen Variationen und Modifikationen eingeschlossen sind.
