DE4040382C2 - Integrated semiconductor circuit arrangement with low power consumption and method for its operation - Google Patents

Integrated semiconductor circuit arrangement with low power consumption and method for its operation

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Description

Die Erfindung betrifft integrierte Halbleiterschaltungsan­ ordnungen mit funktionellen Schaltungsblöcken wie zum Bei­ spiel einem Speicher, einer Arithmetik-Logik-Einheit oder einem E/A-Controller), für die eine niedere Leistungsauf­ nahme angestrebt ist, beispielsweise als Built-in-Cache­ speicher, für die Zugriff und Mulit-Bit-Ausgabe mit hoher Geschwindigkeit gefordert werden, entsprechende Mikropro­ zessoren sowie Verfahren zum Betrieb solcher Schaltungen mit niedriger Leistungsaufnahme (Stromverbrauch).The invention relates to semiconductor integrated circuit devices Arrangements with functional circuit blocks as for example play a memory, an arithmetic logic unit or an I / O controller) for which a low power is sought, for example as a built-in cache memory, for access and multi-bit output with high Speed required, appropriate micropro cessors and methods for operating such circuits with low power consumption (power consumption).

Es ist üblich, in Mikroprozessoren nach dem Stand der Tech­ nik zur Erweiterung des Parallelbetriebs und zur Verbesse­ rung der Verarbeitungsfähigkeit einen Cachespeicher einzu­ bauen, um Probleme zu lösen, die durch die Ungleichheit der Geschwindigkeit der Ausführung eines internen Befehls und der Geschwindigkeit der Übertragung eines Befehls und eines Operanden von einem externen Hauptspeicher hervorgerufen werden. Aus diesen Gründen ist der Anstieg der Leistungs­ aufnahme zu einem schwerwiegenden Problem geworden.It is common in state of the art microprocessors nik to expand parallel operation and improve cachability build to solve problems caused by the inequality of the Speed of execution of an internal command and the speed of transmission of one command and one Operands caused by an external main memory will. For these reasons, the increase in performance recording has become a serious problem.

Ein Hauptzweck für den Einbau eines Cachespeichers ist es, Befehle oder Daten mit einer hohen Geschwindigkeit bereit­ zustellen, die mit der Ausführungsgeschwindigkeit des Mikroprozessors übereinstimmt.A primary purpose for installing a cache is Commands or data ready at high speed to deliver that with the execution speed of the Microprocessor matches.

Die Taktfrequenz eines Mikroprozessors vom Typ Komplexer- Befehlssatz-Computer (CISC) mit der gegenwärtig höchsten Geschwindigkeit beträgt 25-40 MHz. Es ist zu erwarten, daß in naher Zukunft Mikroprozessoren vom Typ Reduzierter- Befehlssatz-Computer (RISC) mit einer Taktfrequenz von über 100 MHz entwickelt werden.The clock frequency of a microprocessor of the type complex Instruction Set Computer (CISC) with the currently highest  Speed is 25-40 MHz. It is expected that in the near future reduced-type microprocessors Instruction Set Computer (RISC) with a clock frequency of over 100 MHz can be developed.

In einem derartigen Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessor ist eine ultrahohe Zugriffsgeschwindigkeit von weniger als einigen Nanosekunden für den Built-in-Cachespeicher erfor­ derlich.In such a high speed microprocessor an ultra high access speed of less than a few nanoseconds for the built-in cache such.

Kennzeichnendes Merkmal eines Built-in-Cachespeichers ist eine relativ kleine Anzahl von Worten und eine extrem hohe Anzahl von Auslesebits je Wort (maximal 8 Bits in SRAMs für allgemeine Anwendungen). Es ist zum Beispiel bei gegenwär­ tig verwendeten 32-Bit-Mikroprozessoren üblich, daß mehrere hundert Bits parallel ausgelesen werden können, wobei sich die Anzahl von parallel auszulesenden Bits noch erhöhen wird, wenn in Zukunft 64-Bit-Mikroprozessoren eingeführt werden.A distinctive feature of a built-in cache is a relatively small number of words and an extremely high one Number of read bits per word (maximum 8 bits in SRAMs for general applications). For example, it is at present 32-bit microprocessors commonly used that several hundred bits can be read out in parallel increase the number of bits to be read in parallel will be introduced in the future when 64-bit microprocessors will.

Im allgemeinen sind hochempfindliche Leseverstärker vom Differenzverstärker-Typ, die bipolare Transistoren verwen­ den, für Lesesignalverstärker von Ultrahochgeschwindig­ keitsspeichern geeignet. Diese Schaltungen verbrauchen je­ doch ständig relativ viel Strom. Darüber hinaus wird auch von anderen Teilen des Speichers Strom verbraucht, sogar dann, wenn nicht auf den Speicher zugegriffen wird, es sei denn, es sind spezielle Stromsparmaßnahmen vorgesehen.In general, highly sensitive sense amplifiers are from Differential amplifier type that use bipolar transistors for ultra-high speed read signal amplifiers storage. These circuits each consume but always a lot of electricity. Beyond that too consumed power from other parts of the memory, even then when the memory is not accessed, it is because, special energy saving measures are planned.

Daher ist bei Ein-Chip-Mikroprozessoren mit ultrahoher Zugriffsgeschwindigkeit und Multi-Bit-Parallelausgangs- Cachespeicher der Stromverbrauch durch den Speicherkreis extrem hoch, so daß On-Chip-Cachespeicher letzten Endes nicht realisierbar sind, es sei denn, daß geeignete Strom­ spareinrichtungen vorgesehen werden. Therefore, one-chip microprocessors with ultra high Access speed and multi-bit parallel output Cache the power consumption by the storage circuit extremely high, so on-chip cache ultimately cannot be realized unless suitable electricity savings facilities are provided.  

Bei einem ersten Verfahren nach dem Stand der Technik, be­ kannt als Stromspartechnik, wird die Speicherschaltung, um den tatsächlichen Stromverbrauch zu senken, durch ein Chip- Anwahlsignal CS, das einem Speicheradreßsignal äquivalent ist, zwischen einem Verbrauch im Bereitschaftsbetrieb und einem Verbrauch im Normalbetrieb umgeschaltet.In a first method according to the prior art, be Knows as electricity saving technology, the memory circuit to reduce actual power consumption through a chip Selection signal CS, which is equivalent to a memory address signal between consumption in standby mode and a consumption switched in normal operation.

Bei einer weiteren Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird die Änderung eines Adreßsignals durch eine Adreß­ änderungs-Detektorschaltung (ATD) erfaßt, worauf ein für eine interne Operation erforderlicher Taktimpuls in Ab­ hängigkeit von dem Detektorsignal erzeugt und ein Lese­ verstärker eines Speichers nur für eine notwendige Zeit­ dauer aktiviert wird, um den Stromverbrauch zu reduzieren.In a further device according to the prior art is the change of an address signal by an address change detector circuit (ATD) detects, whereupon for an internal operation required clock pulse in Ab dependence on the detector signal and a read memory amplifier only for a necessary time duration is activated to reduce power consumption.

Des weiteren ist, wie JP-A-61-45354 zeigt, bei einer LSI- Logik, wie beispielsweise einem Mikroprozessor,Furthermore, as shown in JP-A-61-45354, in an LSI Logic, such as a microprocessor,

  • a) ein Verfahren bekannt, das jeweils Stromsteuerbefehle für eine Vielzahl von funktionellen Blöcken vorsieht und die entsprechenden funktionellen Blöcke selektiv durch ein Programm zur Senkung des Stromverbrauchs aktiviert und des­ aktiviert,a) a method known, each current control commands for a variety of functional blocks and the corresponding functional blocks selectively by Program to reduce electricity consumption activated and the activated,
  • b) ein Verfahren bekannt, das eine Taktsteuerschaltung für jeden funktionellen Block vorsieht und bei dem die Liefe­ rung oder Nichtlieferung eines Taktimpulses zur Senkung der Leistungsaufnahme gesteuert wird, undb) a method known that a clock control circuit for provides for each functional block and for which the delivery tion or non-delivery of a clock pulse to reduce the Power consumption is controlled, and
  • c) ein Verfahren bekannt, das eine Stromsteuerschaltung für jeden funktionellen Block vorsieht und die Stromversorgung des funktionellen Blocks, der nicht an der Ausführung eines Befehls beteiligt ist, unterbricht, um den Stromverbrauch zu reduzieren.c) a method known that a current control circuit for provides each functional block and the power supply of the functional block that is not involved in the execution of a Command is involved, interrupting power consumption to reduce.

Jedoch ist im Stand der Technik das Rauschen nicht berück­ sichtigt, das durch eine plötzliche Änderung der Stromver­ sorgung beim Schalten zwischen der normalen Leistungsauf­ nahme und der niederen Leistungsaufnahme in der Betriebs­ spannungsleitung und der Masseleitung induziert wird. Im Zusammenhang damit treten die folgenden Probleme auf:However, the noise is not reflected in the prior art notices that by a sudden change in Stromver supply when switching between normal power up and the lower power consumption in operation voltage line and the ground line is induced. in the The following problems occur in connection with this:

  • 1. Da sich der Schaltungsstrom in der kurzen Zeit zwischen dem Betrieb mit niederer Leistungsaufnahme und dem Normal­ betrieb wesentlich ändert, wird eine große Rauschspannung durch Induktivitäten und Widerstände der Betriebsspannungs­ leitung und der Masseleitung induziert.1. Since the circuit current in the short time between operation with low power consumption and normal operation changes significantly, becomes a large noise voltage through inductances and resistances of the operating voltage line and the ground line induced.
  • 2. Die Funktionsschaltung selbst oder eine andere interne Schaltung werden aufgrund der Rauschspannung gestört. Aber auch, wenn keine Störung auftritt, ist eine bestimmte Zeit­ spanne erforderlich, um die Rauschspannung zu beseitigen, und die effektive Speicherzugriffsgeschwindigkeit wird ver­ mindert.2. The functional circuit itself or another internal one Circuit are disturbed due to the noise voltage. But even if there is no interference, there is a certain time span required to remove the noise voltage, and the effective memory access speed is ver diminishes.

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Änderung des Schal­ tungsstroms und der Rauschspannung. Fig. 1 shows the relationship between the change in the circuit current and the noise voltage.

Fig. 1(A) zeigt die Entwicklung der Rauschspannung der Stromversorgungsleitung. Bezugsziffer 1300 bezeichnet die Stromversorgung, Bezugsziffer 1310 bezeichnet einen funk­ tionellen Schaltungsblock, wie beispielsweise eine Spei­ cherschaltung, die Bezugsziffern 1321 und 1322 bezeichnen die Induktivität der Stromversorgungsleitung bzw. des Erd­ systems, und die Bezugsziffern 1331 und 1332 bezeichnen den Widerstand der Betriebsspannungsleitung bzw. des Masse­ systems. Fig. 1 (A) shows the development of the noise voltage of the power supply line. Reference numeral 1300 denotes the power supply, reference numeral 1310 denotes a functional circuit block such as a memory circuit, reference numerals 1321 and 1322 denote the inductance of the power supply line or the earth system, and reference numerals 1331 and 1332 denote the resistance of the operating voltage line or the Mass systems.

Fig. 1(B) zeigt die Änderung des Stroms i der Stromver­ sorgung und die Änderung der Versorgungsspannung V1 und des Massepotentials V2, wenn der Schalter SW zu einem Zeitpunkt t1 eingeschaltet und zu einem Zeitpunkt t2 ausgeschaltet wird. Fig. 1 (B) shows the change in the current i of the power supply and the change in the supply voltage V 1 and the ground potential V 2 when the switch SW is turned on at a time t 1 and turned off at a time t 2 .

Wie aus Fig. 1(B) ersichtlich, ändert sich der Schal­ tungsstrom i während des Zeitraums Δt1 von Null auf einen konstanten Strom, wenn der Schalter SW zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet wird. Die Versorgungsspannung V1 der Schal­ tung ändert sich sehr stark und zeigt eine Spitze in ne­ gativer Richtung. Das Massepotential ändert sich ebenfalls sehr stark und zeigt eine Spitze in positiver Richtung. Wenn der Schalter SW zum Zeitpunkt t2 ausgeschaltet wird, ändert sich der Schaltungsstrom i im Zeitraum Δt2 von dem konstanten Strom auf Null. Die Versorgungsspannung V1 der Schaltung ändert sich sehr stark und zeigt eine Spitze in positiver Richtung, das Massepotential V2 ändert sich eben­ falls sehr stark und zeigt eine Spitze in negativer Rich­ tung.As shown in Fig. 1 (B), the switching current i changes from zero to a constant current during the period Δt 1 when the switch SW is turned on at the time t 1 . The supply voltage V 1 of the switching device changes very strongly and shows a peak in the negative direction. The ground potential also changes very strongly and shows a peak in the positive direction. If the switch SW is turned off at the time t 2 , the circuit current i changes from the constant current to zero in the period Δt 2 . The supply voltage V 1 of the circuit changes very strongly and shows a peak in the positive direction, the ground potential V 2 also changes if very strongly and shows a peak in the negative direction.

Es wird angenommen, daß die Schaltung 1310 der Fig. 1(A) 500 Leseverstärker enthält, die je Schaltung einen Strom­ verbrauch von 2 mA haben, und daß der Strom von Null auf den konstanten Strom in einer Zeit Δt1 = 1 ns geschaltet wird. Wenn weiterhin angenommen wird, daß die Widerstände 1331 und 1332 unberücksichtigt gelassen werden und die In­ duktivitäten 1321 und 1322 L = 5 nH sind, ist das Stromver­ sorgungsrauschen Vn durch
It is assumed that circuit 1310 of FIG. 1 (A) contains 500 sense amplifiers, each of which has a current consumption of 2 mA, and that the current is switched from zero to constant current in a time Δt 1 = 1 ns . If it is further assumed that the resistors 1331 and 1332 are disregarded and the inductivities 1321 and 1322 are L = 5 nH, the power supply noise V n is through

gegeben.given.

Ein derartig hohes Stromversorgungsrauschen ist bei einer modernen integrierten Halbleiterschaltung, die bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt oder weniger betrieben wird, nicht zulässig.Such a high power supply noise is one modern semiconductor integrated circuit, which at a  Operating voltage of 5 volts or less, not permitted.

Sogar wenn das Rauschen auf einen geeigneten Pegel redu­ ziert werden kann, sind die Zeiten t1 und t2 notwendig, um das Stromversorgungsrauschen und das Rauschen gegen Masse­ potential zu beseitigen, wie Fig. 1(B) zeigt. Diese Zeit hängt ab von der Stromschaltzeit und beträgt normalerweise 103 ns. Ein derartiger Zeitraum ist für einen Ultrahochge­ schwindigkeitsspeicher, der eine Zugriffszeit von weniger als einigen Nanosekunden erfordert, nicht annehmbar und be­ deutet ein großes Hindernis für den Hochgeschwindigkeits­ betrieb.Even if the noise can be reduced to an appropriate level, the times t 1 and t 2 are necessary to eliminate the power supply noise and the ground potential noise, as shown in Fig. 1 (B). This time depends on the current switching time and is normally 103 ns. Such a period of time is unacceptable for an ultra-high-speed memory that requires an access time of less than a few nanoseconds and represents a major obstacle to high-speed operation.

Das bei einer Änderung des Versorgungsstroms auftretende Problem läßt sich auf eine Vielzahl von Arithmetik-Logik- Einheiten in einem Halbleiterchip und auf andere funktio­ nelle Schaltungsblöcke anwenden.The one that occurs when the supply current changes Problem can be attributed to a variety of arithmetic logic Units in a semiconductor chip and on other functio Apply circuit blocks.

In jüngst entwickelten Hochleistungsmikroprozessoren sind verschiedene Techniken eingeführt worden, um ihre Verar­ beitungsleistung zu steigern. Die Verarbeitungsleistung der Computer läßt sich wie folgt bewerten:
Various techniques have been introduced in recently developed high-performance microprocessors to improve their processing performance. The processing power of the computers can be assessed as follows:

wobei CPI die Anzahl der für einen Befehl erforderlichen Zyklen ist.where CPI is the number of commands required Cycles is.

Seit einigen Jahren gibt es die bemerkenswerte Technologie der RISC-Prozessoren. Ein Hauptziel dieser Prozessoren ist es, zur Leistungssteigerung den CPI-Wert an Eins anzu­ nähern. The remarkable technology has been around for several years of the RISC processors. A main goal of these processors is to increase the CPI to one approach.  

Gegenwärtig sind als Weiterentwicklungen der RISCs die Super-Skalar- und VLIW (VeryLongInstructionWord)-Techno­ logie (sehr langes Befehlswort) zu nennen. Bei dieser Tech­ nologie werden bis zu n Befehle parallel erzeugt, diese Be­ fehle werden parallel dekodiert und parallel ausgeführt. Wenn man die Parallelität der Hardware weiter steigert, wird der CPI-Wert in der obigen Formel auf 1/n re­ duziert und die Leistung des Computers gesteigert. Im Hoch­ geschwindigkeits-Arithmetik-Logik-Schaltkreis eines Computers vom Super-Skalar- oder VLIW-Typ wird eine Diffe­ renz-Logikschaltung mit Hilfe von bipolaren Transistoren oder eine Schaltung mit geringer Amplitude mit Hilfe von BiCMOS verwendet, jedoch verbraucht eine Schaltung, die ständig einen Gleichstrom benötigt, relativ viel Strom.Currently, as further developments of the RISCs are the Super scalar and VLIW (VeryLongInstructionWord) techno logic (very long command word). With this tech nology, up to n commands are generated in parallel errors are decoded in parallel and executed in parallel. If you further increase the parallelism of the hardware, the CPI value in the above formula becomes 1 / n re reduced and increased the performance of the computer. In the high speed arithmetic logic circuit one Super scalar or VLIW type computers will be a dif Reference logic circuit using bipolar transistors or a low amplitude circuit using BiCMOS uses, however, consumes a circuit that constantly requires a direct current, a relatively large amount of electricity.

In Super-Skalar- oder VLIW-Mikroprozessoren sind n Hoch­ geschwindigkeits-Arithmetik-Logik-Schaltungen mit der glei­ chen Funktion erforderlich. Daher steigt die Leistungsauf­ nahme von Arithmetik-Logik-Schaltungen mit dem Faktor n.In super scalar or VLIW microprocessors, n are high speed arithmetic logic circuits with the same Chen function required. Therefore, the performance increases taking arithmetic logic circuits with the factor n.

Die entsprechende Technologie wird in NIKKEI Electronics Nr. 487, 27. Nov. 1989, Seiten 191-200, beschrieben.The corresponding technology is in NIKKEI Electronics No. 487, Nov. 27, 1989, pages 191-200.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird in der Stromspartechnik nach dem Stand der Technik bei integrier­ ten Halbleiterschaltungen oder elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise Mikroprozessoren, das Problem des Rau­ schens in Masseleitungen oder den Betriebsspannungsleitun­ gen, wenn der Strom eingeschaltet wird, nicht berücksich­ tigt, wodurch in den Schaltungen Störungen auftreten oder eine bestimmte Zeit notwendig ist, bevor das Rauschen ver­ schwindet, so daß kein schneller Start möglich ist.As can be seen from the above description, in the State-of-the-art power saving technology at integrier th semiconductor circuits or electronic circuits, such as microprocessors, the problem of rough in ground lines or the operating voltage lines when the power is turned on What causes faults in the circuits or a certain time is required before the noise disappears disappears so that a quick start is not possible.

In einem Mikroprozessor nach dem Stand der Technik mit einem On-Chip-Speicher ist es wegen des Kompromisses zwi­ schen der Rauschunterdrückung in der Stromversorungsschal­ tung und höherer Geschwindigkeit des Speicherzugriffs schwierig, eine sehr hohe Operationsgeschwindigkeit zu erreichen.In a microprocessor according to the prior art an on-chip memory because of the compromise between noise suppression in the power supply scarf  device and higher speed of memory access difficult to operate at a very high speed to reach.

Mikroprozessoren mit Cachespeicher sind oben beschrieben worden, jedoch sind die Probleme bei integrierten Halb­ leiterschaltungen oder für elektronische Schaltungen mit einem funktionellen Block, der eine Hochgeschwindigkeits­ operation erforderlich macht, die gleichen.Microprocessors with cache memory are described above been, however, the problems with integrated half conductor circuits or for electronic circuits with a functional block that is a high speed operation requires the same.

Aus DE 28 25 770 ist eine integrierte Schaltungsanordnung mit Funktionsblöcken, in denen Informationen schrittweise verarbeitet werden, bekannt, bei der nur die für eine Informationsverarbeitung erforderlichen Funktionsblöcke an die Betriebsspannungsquelle angeschlossen werden. Zur jeweiligen Anschaltung der Betriebsspannungsquelle ist eine Ablaufsteuerung vorgesehen, die nach Erkennen eines Start­ kriteriums durch einen Funktionsblock aktiviert wird und entsprechende Schalter in vorgegebener Weise schließt bzw. öffnet. Die Funktionsblöcke werden in nicht benötigten Zeitperioden im Standbybetrieb mit einer reduzierten Be­ triebsspannung oder auch mit intermittierender Betriebs­ spannung betrieben. Das Problem der Verringerung oder Ver­ meidung eines Schaltrauschens durch Wahl des zeitlichen Stromanstiegs und Stromabfalls zu Betriebsbeginn bzw. Be­ triebsende der Funktionsblöcke ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.An integrated circuit arrangement is known from DE 28 25 770 with function blocks in which information is gradually processed, known in which only the one Function blocks required for information processing the operating voltage source can be connected. For each connection of the operating voltage source is a Sequence control provided after detection of a start criterion is activated by a function block and corresponding switch closes in a predetermined manner or opens. The function blocks are not required Time periods in standby mode with a reduced loading drive voltage or with intermittent operation voltage operated. The problem of reducing or ver avoidance of switching noise by choosing the time Electricity rise and fall at the start of operation or loading The driving end of the function blocks is in this publication not addressed.

US 3 736 569 betrifft ein System zur Kontrolle des Strom­ verbrauchs von Computern, bei dem eine Dekodiereinrichtung vorgesehen ist, welche die Dauer des Betriebs eines Speicherbausteins ermittelt und veranlaßt, daß die Strom­ versorgung des betreffenden Speicherbausteins ein- und ausgeschaltet wird. Auch diese Druckschrift betrifft nicht die Aufgabe einer Verminderung des Stromversorgungsrau­ schens. US 3,736,569 relates to a system for controlling the current consumption of computers, in which a decoder is provided, which is the duration of operation of a Memory chip determines and causes the current supply of the relevant memory module and is turned off. This publication does not concern either the task of reducing the power supply area nice.  

In der Druckschrift "Integrierte Digitalbausteine", Kleines Praktikum, von Karl Reiß, Herausgeber Siemens Aktiengesell­ schaft, Berlin, München, 1970, sind auf den Seiten 214 bis 216 Schutzmaßnahmen in der Spannungsversorgung von TTL- Schaltgliedern erläutert, bei denen es sich entsprechend nicht um funktionelle Schaltungsblöcke mit zugeordneter Stromversorgung handelt. Da sich bei der Umschaltung eines TTL-Schaltgliedes auch das Ruhepotential anderer Schalt­ glieder ändert und ferner beim Einschalten die Lastkapazi­ tät der Leitung und der daran angeschlossenen Eingänge vom Ausgang des betreffenden eingeschalteten Schaltgliedes ent­ laden wird, was die Masseleitung des Schaltglieds belastet, werden zur Vermeidung dieser Phänomene sogenannte Stütz­ kondensatoren unmittelbar am Schaltglied vorgesehen, welche die Betriebsspannung "stützen". Derartige Stützkondensa­ toren stabilisieren die Stromversorgung nichtgeschalteter Schaltglieder und dienen nicht zur Realisierung eines ge­ zielt gewählten Stromanstiegs bei geschalteten Schaltglie­ dern.In the publication "Integrated digital modules", small Internship, by Karl Reiss, publisher Siemens Aktiengesellschaft shaft, Berlin, Munich, 1970, are on pages 214 to 216 protective measures in the voltage supply of TTL Switching elements explained, which are accordingly not functional circuit blocks with associated Power supply is concerned. Because when switching one TTL switching element also the rest potential of other switching links changes and also the load capacity when switched on the line and the inputs connected to it Output of the relevant switched switching element ent will load what loads the ground line of the switching element, are so-called support to avoid these phenomena capacitors provided directly on the switching element, which "support" the operating voltage. Such condensate gates stabilize the power supply of non-switched Switching elements and are not used to implement a ge targets the selected current rise with the switching element switched other.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Halb­ leiterschaltung vorzusehen, die eine niedere Leistungsauf­ nahme aufweist und mit einer hohen Geschwindigkeit betrie­ ben werden kann, wobei, wenn die Stromversorgung eines funktionellen Schaltungsblocks geschaltet wird, verhindert wird, daß ein Rauschen auftritt, und die Schaltung ohne Störung arbeitet. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden. Diese Aufgabenstellung bezieht sich auch auf Mikroprozessoren, die einen On-Chip-Speicher, wie bei­ spielsweise einen Cachespeicher, aufweisen, sowie auf parallel verarbeitende Mikroprozessoren. It is therefore an object of the invention to have an integrated half provide a circuit that has a low power and has operated at high speed ben can be, if the power supply of a functional circuit block is prevented becomes noise and the circuit without Malfunction works. A corresponding procedure is also intended can be specified. This task also relates on microprocessors that have an on-chip memory, like at example, have a cache, and on microprocessors processing in parallel.  

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die unabhän­ gigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche betreffen vor­ teilhafte Ausführungsformen der Erfindungskonzeption.This object is achieved independently by the invention current claims solved. The subclaims relate to partial embodiments of the inventive concept.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Stromver­ brauchs in integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen mit einem Mikroprozessor mit mindestens einem funktionellen Schaltungsblock umfaßt folgende Schritte:
The method according to the invention for controlling the current consumption in integrated semiconductor circuit arrangements with a microprocessor with at least one functional circuit block comprises the following steps:

  • - Erfassung des Betriebsbeginns des funktionellen Schal­ tungsblocks vor seinem tatsächlichen Betriebsbeginn,- Detection of the start of operation of the functional scarf blocks before its actual start of operations,
  • - Versorgung des funktionellen Schaltungsblocks mit dem zu seinem Betrieb erforderlichen Betriebsstrom zu seinem tatsächlichen Betriebsbeginn und während seines Betriebs und- Supply of the functional circuit block with the operating current required for its operation actual start of operation and during its operation and
  • - Wegnahme des Betriebsstroms vom funktionellen Schaltungs­ block nach seinem Betriebsende;- Removal of the operating current from the functional circuit block after its operation ends;

es ist gekennzeichnet durchit is characterized by

  • - Steigerung des Schaltungsstroms des funktionellen Schal­ tungsblocks während einer vorgegebenen Zeitdauer vor dem tatsächlichen Betriebsbeginn von einem Standby-Strom, bei dem der funktionelle Schaltungsblock niedrige Lei­ stungsaufnahme aufweist, auf den Betriebsstrom und- Increase the circuit current of the functional scarf tion blocks for a predetermined period of time before actual start of operation from a standby power, at which the functional circuit block low lei has power consumption on the operating current and
  • - Verringerung des Schaltungsstroms nach Betriebsende des funktionellen Schaltungsblocks während einer vorgegebenen Zeitdauer auf den Standby-Strom.- Reduction of the circuit current after the end of operation functional circuit blocks during a given Time on standby power.

Die erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsan­ ordnung mit niederer Leistungsaufnahme, die insbesondere zur Durchführung des oben definierten Verfahrens geeignet ist, umfaßt:
einen Mikroprozessor, der aufweist:
The integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention with low power consumption, which is particularly suitable for carrying out the method defined above, comprises:
a microprocessor which has:

  • - einen oder mehrere funktionelle Schaltungsblöcke,One or more functional circuit blocks,
  • - ein Befehlsdatenregister,- a command data register,
  • - eine Befehlsdekodiereinrichtung, die Befehlsdaten aus dem Befehlsdatenregister dekodiert und Befehlssteuersignale zur Steuerung des Betriebs der funktionellen Schaltungsblöcke erzeugt, und- An instruction decoder, the instruction data from the Command data registers decoded and command control signals to control the operation of the functional Circuit blocks generated, and
  • - eine Einrichtung, welche den Betriebsbeginn und das Betriebsende der funktionellen Schaltungsblöcke vor ihrem tatsächlichen Betriebsbeginn erfaßt und Stromsteuer­ signale an eine Stromsteuereinrichtung abgibt, die zu Betriebsbeginn den Schaltungsstrom der funktionellen Schaltungsblöcke von einem niedrigeren Standby-Strom, bei dem der betreffende funktionelle Schaltungsblock eine niedrigere Leistungsaufnahme aufweist, auf den Betriebs­ strom erhöht und während der Dauer des Betriebs des funk­ tionellen Schaltungsblocks aufrechterhält und nach seinem Betriebsende den Betriebsstrom wieder auf den Standby- Strom absenkt;- A facility that the start of operation and the Operational end of the functional circuit blocks before their actual start of operations recorded and electricity tax outputs signals to a current control device which Start of operation the circuit current of the functional Circuit blocks from a lower standby current, at which the functional circuit block in question is a has lower power consumption on operation current increases and during the period of operation of the radio tional circuit blocks and after his End of operation the operating current back to standby Lowers electricity;

sie ist dadurch gekennzeichnet, daßit is characterized in that

  • - die Befehlsdekodiereinrichtung Betriebsbeginn-Ankündi­ gungssignale erzeugt und- The instruction decoder start of operation announcement generated signals and
  • - die Einrichtung ein Stromsteuersignalgenerator ist, der die Betriebsbeginn-Ankündigungssignale empfängt und Stromsteuersignale an die Stromsteuereinrichtung abgibt, aufgrund deren sie den Schaltungsstrom der funktionellen Schaltungsblöcke während einer vorgegebenen Zeitdauer vor ihrem Betriebsbeginn vom Standby-Strom auf den Be­ triebsstrom erhöht und nach ihrem Betriebsende während einer vorgegebenen Zeitdauer auf den Standby-Strom ver­ ringert.- The device is a current control signal generator receives the start of operation announcement signals and Outputs current control signals to the current control device, due to which they change the circuit current of the functional  Circuit blocks during a predetermined period of time their start of operation from standby power to the Be drive current increases and after its end of operation during a predetermined period of time on the standby current ver wrestles.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Be­ fehlsdekodiereinrichtung zwei Befehlsdekodierer, wobei der erste Befehlsdekodierer Befehlsdaten aus dem Befehlsda­ tenregister dekodiert und Befehlssteuersignale zur Steue­ rung des Betriebs der funktionellen Schaltungsblöcke er­ zeugt und der zweite Befehlsdekodierer Befehlsdaten aus dem Befehlsdatenregister dekodiert und Betriebsbeginn-Ankün­ digungssignale erzeugt.According to an advantageous embodiment, the Be false decoder two instruction decoders, the first instruction decoder instruction data from the instruction da decoded and command control signals for control Operation of the functional circuit blocks testifies and the second instruction decoder instruction data from the Command data register decoded and start of operation arrival generated signals.

In der Erfindung kann der Speicher ein taktsynchronisierter Speicher sein, und es können Mittel zur Erzeugung eines Speichertaktsignals zum Takten des Speichers vorgesehen sein, die auf einem Systemtaktsignal der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung und dem Zugriffsankündigungs­ signal beruhen.In the invention, the memory can be clock synchronized Memory, and there may be means for generating a Memory clock signal provided for clocking the memory be the integrated on a system clock signal Semiconductor circuit arrangement and the access announcement signal based.

Alternativ dazu können Mittel zur Erzeugung eines Impulses zur Aktivierung eines Leseverstärkers des Speichers vorge­ sehen sein, die auf dem Systemtaktsignal der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung und dem Zugriffsankündigungs­ signal beruhen, so daß ein Teil oder der gesamte Lesever­ stärker des Speichers durch den Aktivierungsimpuls akti­ viert wird.Alternatively, means for generating a pulse to activate a sense amplifier of the memory be seen on the system clock signal of the integrated Semiconductor circuit arrangement and the access announcement signal based, so that part or all of the reading ver stronger of the memory by the activation pulse acti fourth.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung sind ein funktioneller Schaltungsblock mit einer Strom­ versorgungsinduktivität L, einem zulässigen Strom­ versorgungsrauschen Vn und einer Schaltungsstromänderungs­ amplitude ΔI sowie Mittel zur Erzeugung eines Betriebs­ beginn-Ankündigungssignals vorgesehen, um den funktionellen Schaltungsblock eine Zeit t vor dem Beginn des Betriebs des funktionellen Schaltungsblocks zu aktivieren, wobei t, L, Vn und ΔI der Beziehung
In accordance with another feature of the invention, a functional circuit block having a power supply inductance L, an allowable power supply noise V n and a circuit current change amplitude ΔI, and means for generating an operation start announcement signal are provided to the functional circuit block a time t before the start activate the operation of the functional circuit block, where t, L, V n and ΔI of the relationship

entsprechen.correspond.

Der zweite Befehlsdekodierer kann so ausgeführt sein, daß er das Zugriffsankündigungssignal mindestens ein Stadium vor dem Ausführungsstadium des Speicherzugriffs erzeugt. Die Aktivierungsmittel können so ausgeführt sein, daß sie einen für den Speicher bestimmten Treiberstrom von einem niedrigeren Strompegel als dem vorbestimmten Betriebsstrom­ pegel auf den vorbestimmten Betriebsstrompegel in einer vorbestimmten Geschwindigkeit vom Zeitpunkt der Erzeugung des Zugriffsankündigungssignals bis zum Zeitpunkt des Be­ ginns des Speicherzugriffs-Ausführungsstadiums erhöhen.The second instruction decoder can be designed such that he the access announcement signal at least one stage generated before the execution stage of the memory access. The activating agents can be designed so that they a driver current of one intended for the memory current level lower than the predetermined operating current level to the predetermined operating current level in a predetermined speed from the time of generation of the access announcement signal up to the time of loading Increase the beginning of the memory access execution stage.

Der Mikroprozessor der Erfindung umfaßt mindestens einen funktionellen Schaltungsblock, einen ersten Befehlsdekodie­ rer zur Dekodierung eines Befehls und Weiterleitung der Ausführung an den funktionellen Schaltungsblock, einen zweiten Befehlsdekodierer zur Erfassung der Ausführung durch den funktionellen Schaltungsblock vor dem Beginn der Ausführung zur Erzeugung eines Operationsankündigungs­ signals und Aktivierungsmittel zur Aktivierung des funk­ tionellen Schaltungsblocks vor dem Beginn der Ausführung aufgrund des Ankündigungssignals.The microprocessor of the invention includes at least one functional circuit block, a first command decode for decoding a command and forwarding the Execution on the functional circuit block, one second instruction decoder to detect execution through the functional circuit block before the start of the Execution for generating an operation announcement signals and activation means for activating the radio tional circuit blocks before starting execution based on the announcement signal.

Der Speicher der Erfindung weist einen funktionellen Schal­ tungsblock auf, der ein Ankündigungssignal für den Be­ triebsbeginn erhält, den Schaltungsstrom auf einen vor­ bestimmten Pegel in einer vorbestimmten Zeit erhöht, die mit dem Erhalt des Ankündigungssignals beginnt, um von einem Betrieb mit niederer Leistungsaufnahme auf einen Be­ trieb mit normaler Leistungsaufnahme zu wechseln und nach der Ausführung der Operation den Schaltungsstrom in einer vorbestimmten Zeit auf den Strom zu senken, der dem Betrieb bei niederer Leistungsaufnahme entspricht, und in den Be­ trieb niederer Leistungsaufnahme zu wechseln; der Speicher wird durch das Zugriffsankündigungssignal aktiviert und führt eine vorbestimmte Speicheroperation in Übereinstim­ mung mit einem Adreßsignal, einem Schreib/Lese-Steuersignal und einem Daten-Eingabe/Ausgabesignal aus.The memory of the invention has a functional scarf tion block on which an announcement signal for the Be receives drive start, the circuit current to one before certain level increases in a predetermined time, the  starts receiving the announcement signal to start from an operation with low power consumption on a loading urged to change with normal power consumption and after the execution of the operation the circuit current in one predetermined time to lower the current that is operating corresponds to low power consumption, and in the Be urged to switch lower power consumption; the memory is activated by the access announcement signal and performs a predetermined store operation in accordance tion with an address signal, a read / write control signal and a data input / output signal.

Der Speicher weist eine Informationsverarbeitungseinheit auf, wie beispielsweise eine Workstation oder einen Computer, die mindestens eine integrierte Halbleiterschal­ tungsanordnung, einen Mikroprozessor, einen funktionellen Schaltungsblock und/oder einen Speicher umfassen.The memory has an information processing unit on, such as a workstation or a Computer that has at least one integrated semiconductor scarf tion arrangement, a microprocessor, a functional Circuit block and / or include a memory.

Ein Ausführungbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 2 bis 13 näher erläutert; es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 13; show it:

Fig. 2: ein Blockdiagramm der Konfiguration eines Mikro­ prozessors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a micro processor according to a first embodiment of the invention;

Fig. 3: ein Befehlsausführungsstadium eines Mikroprozes­ sors; Fig. 3: a command execution stage of a microprocessor;

Fig. 4: ein Signalflußdiagramm der Zeitsteuerung des Be­ triebs des Mikroprozessors; Fig. 4 is a signal flow diagram of the timing of the operation of the microprocessor Be;

Fig. 5(A): ein Blockdiagramm der Konfiguration eines Zu­ griffsankündigungssignalgenerators; Fig. 5 (A) is a block diagram of the configuration of an access announcement signal generator;

Fig. 5(B): die Konfiguration einer Vorhersageschaltung für den Speicherzugriff; Fig. 5 (B): the configuration of a memory access prediction circuit;

Fig. 5(C): ein Signalflußdiagramm für den Betrieb der Schal­ tung; Fig. 5 (C): a signal flow diagram for the operation of the circuit device;

Fig. 6: ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Cachespeichers; FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a cache memory;

Fig. 7(A): ein Schaltungsdiagramm eines Stromsteuersignal­ generators; Fig. 7 (A): a circuit diagram of a current control signal generator;

Fig. 7(B): ein Signalflußdiagramm zum Betrieb desselben; Fig. 7 (B): a signal flow diagram for the operation thereof;

Fig. 8: ein Signalflußdiagramm, das die Beziehung zwi­ schen dem Zugriffsankündigungssignal und dem Versorgungsstrom zeigt; Fig. 8 is a signal flow diagram showing the relationship between the access announcement signal and the supply current;

Fig. 9(A): ein Blockdiagramm der Konfiguration eines Strom­ steuersignalgenerators; Fig. 9 (A) is a block diagram showing the configuration of a power control signal generator;

Fig. 9(B): ein Signalflußdiagramm zum Betrieb desselben; Fig. 9 (B): a signal flow diagram for operating the same;

Fig. 10(A): ein Blockdiagramm eines Stromsteuersignalgene­ rators; Fig. 10 (A): a block diagram of a current control signal generator;

Fig. 10(B): ein Signalflußdiagramm zum Betrieb desselben; Fig. 10 (B): a signal flow diagram for operating the same;

Fig. 11: ein Schaltbild eines Adreßpuffers; FIG. 11 is a circuit diagram of an address buffer;

Fig. 12: ein Blockdiagramm einer peripheren Schaltung für eine Speicherzelle und Fig. 12: a block diagram of a peripheral circuit of a memory cell and

Fig. 13: ein Schaltbild eines Ausgangstreibers. Fig. 13 is a circuit diagram of an output driver.

Im folgenden wird eine Ausführungsform einer integrierten Halbleiterschaltung der Erfindung unter Bezugnahme auf einen Mikroprozessor beschrieben.The following is an embodiment of an integrated one Semiconductor circuit of the invention with reference to FIG described a microprocessor.

Fig. 2 zeigt die Konfiguration eines Mikroprozessors (MPU) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 shows the configuration of a microprocessor (MPU) according to a first embodiment of the invention.

Bezugsziffer 100 bezeichnet einen Ein-Chip-Mikroprozessor. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden nur die zum Ver­ ständnis der Ausführungsform notwendigen Elemente der internen Konfiguration gezeigt, die anderen Elemente sind weggelassen.Reference numeral 100 denotes a one-chip microprocessor. To simplify the description, only the elements of the internal configuration necessary for understanding the embodiment are shown, the other elements are omitted.

Bezugsziffer 101 bezeichnet einen Programmzähler, der syn­ chron zu einem Taktsignal CLK eine Abholadresse von Be­ fehlsdaten erzeugt. Bezugsziffer 102 bezeichnet ein Spei­ cheradreßregister, das eine Abholadresse eines Befehls­ cachespeichers 103 hält. Bezugsziffer 104 bezeichnet ein Befehlsdatenregister, das die aus dem Befehlscachespeicher 103 geholten Befehlsdaten hält.Reference numeral 101 denotes a program counter that generates a pick-up address of command data in sync with a clock signal CLK. Reference numeral 102 denotes a memory address register that holds a fetch address of an instruction cache 103 . Reference numeral 104 denotes an instruction data register which holds the instruction data fetched from the instruction cache 103 .

Bezugsziffer 111 bezeichnet ein weiteres Adressenregister, das eine Lese- oder Schreibadresse eines Datencachespei­ chers 112 hält, Bezugsziffer 113 bezeichnet ein Datenre­ gister, das Lesedaten des Datencachespeichers 112 oder Schreibdaten für den Datencachespeicher 112 hält.Numeral 111 designates another address register holding a read or write address of a data cache 112 , numeral 113 designates a data register holding read data of the data cache 112 or write data for the data cache 112 .

Das Befehlsdatenregister 104 und das Datenregister 103 sind durch einen internen Datenbus 172 verbunden und tauschen Daten mit einem externen Datenbus 161 über eine Eingabe- Ausgabe-Steuerung 160 aus.The command data register 104 and the data register 103 are connected by an internal data bus 172 and exchange data with an external data bus 161 via an input / output controller 160 .

Die Bezugsziffer 120 bezeichnet einen ersten Befehlsde­ kodierer, der den Ausgang 105 des Befehlsdatenregisters 104 dekodiert und Befehlssteuersignale 121 und 122 erzeugt. Be­ zugsziffer 140 bezeichnet eine Arithmetik-Logik-Einheit, die die für eine Operation erforderlichen Daten von einer Registerdatei 150 über einen internen Bus 73 empfängt, die die arithmetische, die logische oder die Schiebeoperation durchführt und das Operationsergebnis über einem internen Bus 174 in die Registerdatei 150 schreibt. In einem anderen Fall schreibt sie das Operationsergebnis über einen inter­ nen Bus 175 in ein Speicheradressenregister 111.Reference numeral 120 denotes a first command decoder which decodes the output 105 of the command data register 104 and generates command control signals 121 and 122 . Reference numeral 140 denotes an arithmetic logic unit which receives the data required for an operation from a register file 150 via an internal bus 73 , which carries out the arithmetic, the logical or the shift operation and the operation result via an internal bus 174 into the register file 150 writes. In another case, it writes the operation result to a memory address register 111 via an internal bus 175 .

Der Ausgang 121 des Befehlsdekodierers 120 kennzeichnet den Operationstyp für die Arithmetik-Logik-Einheit (ALU) 140. Der Ausgang 122 des Befehlsdekodierers 120 kennzeichnet eine Lese- oder Schreiboperation für die Registerdatei 150.The output 121 of the instruction decoder 120 identifies the type of operation for the arithmetic logic unit (ALU) 140 . The output 122 of the instruction decoder 120 identifies a read or write operation for the register file 150 .

Die Bezugsziffer 130 bezeichnet einen zweiten Befehlsdeko­ dierer, der den Ausgang 105 des Befehlsdatenregisters 104 dekodiert, dem Datencachespeicher 112 den Speicherzugriff vorhersagt und dem Datencachespeicher 112 ein Speicherzu­ griffsankündigungssignal 131 liefert. Numeral 130 denotes a second instruction decoder that decodes the output 105 of the instruction data register 104 , predicts memory access to the data cache 112, and provides the memory access 112 with a memory access signal 131 .

Der Datencachespeicher 112 führt den vorbestimmten Spei­ cherzugriff aus, der aufgrund des Speicherzugriffsankün­ digungssignals 131 des Adreßsignals vom Speicheradreßre­ gister 111 und einem Lese/Schreibsteuersignal erfolgt (nicht gezeigt).The data cache 112 executes the predetermined memory access due to the memory access indication signal 131 of the address signal from the memory address register 111 and a read / write control signal (not shown).

Der zweite Befehlsdekodierer 130 kann die Funktion auf­ weisen, der Arithmetik-Logik-Einheit 140, der Registerdatei 150 und anderen Einheiten Operationsbeginns-Ankündigungs­ signale 132 und 133, wie erforderlich, zu senden.The second instruction decoder 130 may have the function of sending arithmetic logic unit 140 , register file 150 and other units start of operation announcement signals 132 and 133 as required.

Fig. 3 zeigt ein typisches Befehlsausführungsstadium des Mikroprozessors dieser Ausführungsform. Fig. 3 shows a typical instruction execution stage of the microprocessor of this embodiment.

Die Befehle 1 und 2 zeigen ein Ausführungsstadium einer R-R-Operation (Register-zu-Register-Operation).Instructions 1 and 2 show an execution stage of a RR (register-to-register operation).

In einem IF-Stadium (Befehlabrufstadium) werden die Be­ fehlsdaten vom Befehlscachespeicher 103 geholt. Im Stadium D (Befehlsdekodierstadium) werden sie durch den Befehls­ dekodierer 120 dekodiert. Im Stadium Ex (Befehlsausfüh­ rungsstadium) wird eine vorbestimmte Operation durch die Arithmetik-Logik-Einheit 140 ausgeführt. Schließlich wird in einem Stadium W (Schreibstadium) ein Operationsergebnis in die Registerdatei 150 geschrieben.In an IF stage (instruction fetch stage), the instruction data is fetched from the instruction cache 103 . In stage D (instruction decoding stage), they are decoded by instruction decoder 120 . At the Ex stage (instruction execution stage), a predetermined operation is performed by the arithmetic logic unit 140 . Finally, an operation result is written to the register file 150 at a stage W (write stage).

Für einen Ladebefehl und einen Speicherbefehl, siehe Fig. 3 Mitte, durch die der Zugriff auf den Datencachespeicher 112 angefordert wird, sind das Stadium IF und das Stadium D die gleichen wie diese Stadien der R-R-Operation. In dem näch­ sten Stadium AC (Adressenberechnung) wird zum Zugriff auf den Datencachespeicher 112 eine effektive Adresse berech­ net. In einem Stadium CA (Cachespeicherzugriff) wird auf den Datencachespeicher 112 zugegriffen. Schließlich werden im Stadium W die geholten Daten in die Registerdatei 150 geschrieben. Wie oben beschrieben, liegt beim Lade/Spei­ cherbefehl das effektive Adreßberechnungsstadium AC immer zwischen dem Dekodierstadium D und dem Speicherzugriffs­ stadium AC. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Speicherzugriffsanforderung im D-Stadium, das zwei Stadien vor dem CA-Stadium liegt, vorhergesagt, und das Zugriffs­ ankündigungssignal wird zum Cachespeicher 112 gesendet.For a load instruction and a store instruction, see FIG. 3 middle, by which access to data cache 112 is requested, stage IF and stage D are the same as these stages of the RR operation. In the next stage AC (address calculation), an effective address is calculated for access to the data cache 112 . At a stage CA (cache access), data cache 112 is accessed. Finally, in stage W, the fetched data is written into register file 150 . As described above, in the load / store instruction, the effective address calculation stage AC is always between the decode stage D and the memory access stage AC. In the present embodiment, the memory access request is predicted at the D stage two stages before the CA stage and the access announcement signal is sent to the cache memory 112 .

Fig. 4 zeigt noch detaillierter das Signalflußdiagramm vom Holen des Befehls bis zur Erzeugung des Zugriffsankündi­ gungssignals und dem Zugriff auf den Speicher. Fig. 4 shows the signal flow diagram from the fetch of the command to the generation of the access announcement signal and the access to the memory in more detail.

Bezugsziffer 3a bezeichnet den Systemtakt CLK. Dessen Periode ist gleich einer Stadiumsperiode des Befehlsaus­ führungsstadiums von Fig. 3 und kann zum Beispiel 5 ns be­ tragen.Reference numeral 3 denotes a system clock CLK. Its period is equal to a stage period of the instruction execution stage of Fig. 3 and may be, for example, 5 ns.

Bezugsziffer 3b bezeichnet das IF-Stadium. Es werden die Lade/Speicherbefehle M1 bis M5 geholt.Reference number 3 b denotes the IF stage. The load / store commands M 1 to M 5 are fetched.

Bezugsziffer 3c bezeichnet das D-Stadium, in dem auf das IF-Stadium folgenden Stadium werden die Lade/Speicherbe­ fehle M1 bis M5 dekodiert.Reference number 3 c denotes the D stage, in the stage following the IF stage, the load / store instructions M 1 to M 5 are decoded.

Bezugsziffer 3d bezeichnet das AC-Stadium. Die im DStadium 3c dekodierten effektiven Adressen A1 bis A5 für die Lade/Speicherbefehle M1 bis M5 werden berechnet.Reference number 3 d denotes the AC stage. The effective addresses A 1 to A 5 decoded in D stage 3 c for the load / store commands M 1 to M 5 are calculated.

Bezugsziffer 3e bezeichnet die Speicheradressen A1 bis A3, die bei der Adressenberechnung berechnet werden. Der Speicherzugriff wird im CA-Stadium 3f unter Verwendung dieser Adressen tatsächlich durchgeführt.Reference number 3 e denotes the memory addresses A 1 to A 3 , which are calculated in the address calculation. The memory access is actually performed in CA stage 3 f using these addresses.

Bezugsziffer 3g bezeichnet die Speicherzugriffsvorhersage­ signale M1 bis M4, die durch den zweiten, in Fig. 1 gezeig­ ten Befehlsdekodierer 130 erzeugt werden. Sie werden auf­ grund der Dekodierung von M1 bis M5 im D-Stadium 3c erzeugt.Reference numeral 3 g denotes the memory access prediction signals M 1 to M 4 , which are generated by the second instruction decoder 130 shown in FIG. 1. They are generated due to the decoding of M 1 to M 5 in D stage 3 c.

Die Bezugsziffer 3h bezeichnet das Speicherzugriffsan­ kündigungssignal (3), das durch die Verarbeitung der Spei­ cherzugriffsvorhersagesignale M1 bis M5 (3g) erzeugt wird. Es wird an den Datencachespeicher 112 geliefert.The reference numeral 3 h denotes the memory access announcement signal ( 3 ), which is generated by processing the memory access prediction signals M 1 to M 5 ( 3 g). It is delivered to data cache 112 .

Das Zugriffsankündigungssignal 3h wird ein Stadium vor dem E1-Stadium 3f erzeugt, in dem auf den Speicher tatsächlich zugegriffen wird, und es wird auch ein Stadium vor dem E3- Stadium erzeugt.The access announcement signal 3 h generates a stage before the E 1 stage 3 f in which the memory is actually accessed, and a stage before the E 3 stage is also generated.

Fig. 5(A) zeigt die interne Konfiguration des zweiten Be­ fehlsdekodierers 130 (s. Fig. 2), der das Speicherzugriffs- Ankündigungssignal 131 erzeugt. Fig. 5(B) zeigt die interne Konfiguration der Vorhersageschaltung des Speicherzugriffs 410, und Fig. 5(C) zeigt ein Signaldiagramm im entsprechen­ den Betrieb. FIG. 5 (A) shows the internal configuration of the second instruction decoder 130 (see FIG. 2) that generates the memory access announcement signal 131 . Fig. 5 (B) shows the internal configuration of the memory access prediction circuit 410 , and Fig. 5 (C) shows a signal diagram in the corresponding operation.

Bezugsziffer 410 bezeichnet die Speicherzugriffvorhersage­ schaltung, die erfaßt, ob die vom Befehlsdatenregister 104 gelieferten Befehlsdaten einen Befehl darstellen, der den Speicherzugriff verursacht, oder nicht. Insbesondere wird, wie Fig. 5(B) zeigt, nachdem der Lade- und der Speicherbe­ fehl erfaßt wurden, ein Erfassungssignal DET (Erfassung) erzeugt, wie 3g in Fig. 5(C) zeigt. Bezugsziffer 420 be­ zeichnet ein Flipflop, das das Erfassungssignal DET (3g) aufgrund des Taktsignals CLK (3a) hält und an seinem Q-Aus­ gang (4a) das in Fig. 5(C) gezeigte Zugriffsankündigungs­ signal PR (3h) erzeugt.Reference numeral 410 denotes the memory access prediction circuit which detects whether or not the command data supplied from the command data register 104 represents a command that causes the memory access. Specifically, as shown in Fig. 5 (B), after the load and store fail to be detected, a detection signal DET (detection) is generated as shown by 3g in Fig. 5 (C). Reference numeral 420 be a flip-flop that holds the detection signal DET ( 3 g) on the basis of the clock signal CLK ( 3 a) and at its Q output ( 4 a) the access announcement signal PR ( 3 h) shown in FIG. 5 (C) ) generated.

Das Signal PR 131 des Ausführungsbeispiels ist ein posi­ tives aktives Signal, obwohl seine Polarität nicht wesent­ lich ist. The signal PR 131 of the embodiment is a positive active signal, although its polarity is not essential.

Fig. 6 zeigt die interne Konfiguration des Datencachespei­ chers 112 (s. Fig. 2). FIG. 6 shows the internal configuration of the data cache 112 (see FIG. 2).

Bezugsziffer 510 bezeichnet einen Adreßpuffer, der ein Adreßsignal Ai erhält und positive und negative Adreß­ signale, die von einem Adressendekodierungstreiber 520 an­ gefordert werden, erzeugt. Der Ausgang des Adressendekodie­ rungstreibers 520 wird zur Anwahl eines Speicherfeldes, das gelesen oder geschrieben werden soll, an ein Speicherfeld 530 geliefert.Reference numeral 510 denotes an address buffer that receives an address signal A i and generates positive and negative address signals that are requested by an address decoding driver 520 . The output of the Adressendekodie approximately driver 520 is supplied to the selection of a storage field which is to be read or written to a memory array 530th

Bezugsziffer 540 bezeichnet einen Leseverstärker, der ein kleines Signal, das aus dem Speicherfeld gelesen wurde, auf einen gegebenen Signalpegel verstärkt. Bezugsziffer 550 be­ zeichnet einen Ausgangstreiber, der einen Ausgang Do treibt, der eine relativ hohe Last aufweist.Numeral 540 denotes a sense amplifier that amplifies a small signal that has been read from the memory array to a given signal level. Reference numeral 550 denotes an output driver which drives an output D o which has a relatively high load.

Bezugsziffer 560 bezeichnet eine Schreibsteuerschaltung, die Schreibdaten Di durch ein Schreibsteuersignal WE in eine vorbestimmte Adresse des Speicherfeldes 530 ein­ schreibt.Reference numeral 560 denotes a write control circuit that writes write data D i into a predetermined address of the memory array 530 by a write control signal WE.

Bezugsziffer 570 bezeichnet einen Stromsteuersignalgene­ rator, der zur Erzeugung von mindestens einem Stromsteuer­ signal 575 das Zugriffsankündigungssignal PR erhält. Im Ausführungsbeispiel erhält er unter der Annahme, daß der Datencachespeicher 112 anteilig genutzt wird oder daß eine andere Zugriffsanforderung als die Befehlsausführung er­ folgt, zur Erzeugung mindestens eines Stromsteuersignals 575 eine Vielzahl von Ankündigungssignalen PR1, ... PRn.Reference numeral 570 denotes a current control signal generator, which receives the access announcement signal PR for generating at least one current control signal 575 . In the exemplary embodiment, assuming that the data cache 112 is being used proportionally or that an access request other than the command execution is being followed, it receives a plurality of announcement signals PR 1 ,... PR n for generating at least one current control signal 575 .

Die Steuerung des Schaltungsstroms durch das Stromsteuer­ signal 575 ist auf alle Schaltungselemente außer dem Strom­ steuersignalgenerator 570 im Cachespeicher 112 anwendbar. Die Anwahl des zu steuernden Schaltkreises hängt ab von der Konfiguration und Anwendung der vorliegenden anwendbaren Hardware.The control of the circuit current by the current control signal 575 is applicable to all circuit elements except the current control signal generator 570 in the cache memory 112 . The selection of the circuit to be controlled depends on the configuration and application of the applicable hardware.

Fig. 7(A) zeigt die Konfiguration des Stromsteuersignal­ generators (s. Fig. 6), und Fig. 7(B) zeigt ein Signal­ diagramm des Stromsteuersignalgenerators. Fig. 7 (A) shows the configuration of the current control signal generator (see Fig. 6), and Fig. 7 (B) shows a signal diagram of the current control signal generator.

Bezugsziffer 610 bezeichnet ein OR-Gatter zur ODER-Ver­ knüpfung der Zugriffsankündigungssignale PR1 bis PRn, dessen Ausgang an einem Inverter 620 und einem Flipflop 660 liegt. Bezugsziffer 630 bezeichnet ein NOR-Gatter zur NOR-Verknüp­ fung des Ausgangs des Inverters 620 und des Q-Ausgangs des Flipflops 660 zur Erzeugung eines Signals PUMP wie unter 6c in Fig. 7(B) gezeigt.Reference numeral 610 denotes an OR gate for the OR operation of the access announcement signals PR 1 to PR n , the output of which is at an inverter 620 and a flip-flop 660 . Reference numeral 630 denotes a NOR gate for NOR gating the output of the inverter 620 and the Q output of the flip-flop 660 to generate a signal PUMP as shown at 6c in Fig. 7 (B).

Bezugsziffer 640 bezeichnet ein AND-Gatter zur UND-Verknüp­ fung des O-Ausgangs 6b des Flipflops 660 und des Takt­ signals CLK 3a zur Erzeugung eines Signals MCLK 6d, wie in Fig. 7(B) gezeigt. Die Bezugsziffern 650 und 670 bezeichnen ein OR-Gatter bzw. eine Verzögerungsschaltung. Das OR- Gatter 650 dient zur Verknüpfung des MCLK-Signals 6d und des durch die Verzögerungsschaltung 670 um eine vorgegebene Zeit verzögerten MCLK-Signals und erzeugt ein Signal SA, wie in Fig. 7(B) gezeigt.Reference numeral 640 denotes an AND gate for ANDing the O output 6 b of the flip-flop 660 and the clock signal CLK 3 a for generating a signal MCLK 6 d, as shown in Fig. 7 (B). Reference numerals 650 and 670 denote an OR gate and a delay circuit, respectively. The OR gate 650 is used to link the MCLK signal 6 d and the MCLK signal delayed by the delay circuit 670 by a predetermined time and generates a signal SA as shown in Fig. 7 (B).

MA 6e in Fig. 7(B) zeigt eine Speicheradresse im Speicher­ zugriffsausführungszyklus.MA 6 e in Fig. 7 (B) shows a memory address in the memory access execution cycle.

Wie in Fig. 7(B) gezeigt, erfolgt der Speicherzugriff auf die Speicheradressen A1 und A2 in den Taktstadien t2 und t3 (6g). Andererseits steigt das PUMP-Signal 6c im Stadium t1, das ein Stadium vor dem Stadium t2 liegt, an und fällt am Ende des Stadiums t3 ab.As shown in Fig. 7 (B), the memory access to the memory addresses A 1 and A 2 takes place in the clock stages t 2 and t 3 ( 6 g). On the other hand, the PUMP signal 6 c rises in stage t 1 , which is a stage before stage t 2 , and drops at the end of stage t 3 .

Der Schaltungsstrom wird auf der Grundlage des PUMP-Signals 6c gesteuert. Dies ist in Fig. 8 dargestellt. Wie 7a in Fig. 8 zeigt, wird der Strom der gesteuerten Schaltung von i1 auf einen vorbestimmten Strom i2 in Übereinstimmung mit dem PUMP-Signal 6c erhöht, und der Strompegel wird in den Speicherzugriffsstadien t2 und t3 aufrechterhalten und vom Beginn des t4-Stadiums an, in dem der Speicherzugriff durchgeführt worden ist, auf einen niederen Strompegel i1 gesenkt.The circuit current is controlled based on the PUMP signal 6 c. This is shown in Fig. 8. As shown in FIG. 7 a in FIG. 8, the current of the controlled circuit is increased from i 1 to a predetermined current i 2 in accordance with the PUMP signal 6 c, and the current level is maintained in the memory access stages t 2 and t 3 and from Beginning of the t 4 stage, in which the memory access was carried out, lowered to a low current level i 1 .

Das MCLK-Signal 6d (Fig. 7(B)) ist ein Impulssignal, das in den Speicherzugriffsstadien t2 und t3 erzeugt wird, und dient in einem taktsynchronisierten Speicher als Speicher­ takt. Der taktsynchronisierte Speicher wird in den folgen­ den Publikationen beschrieben:The MCLK signal 6 d ( FIG. 7 (B)) is a pulse signal which is generated in the memory access stages t 2 and t 3 and serves as a clock in a clock-synchronized memory. The clock-synchronized memory is described in the following publications :

  • 1. Kevin J. O'Connor, Modular Embedded Cache Memory for a 32b Pipelined RISC Microprocessor, 1987 IS SCC, S. 256-257.1. Kevin J. O'Connor, Modular Embedded Cache Memory for a 32b Pipelined RISC Microprocessor, 1987 IS SCC, pp. 256-257.
  • 2. Masanori Odaka u. a., A512 kb/5 ns BiCMOS RAM With 1 KG/150 ps Logic Gate Array, 1989, IS SCC, S. 28-29.2. Masanori Odaka et al., A512 kb / 5 ns BiCMOS RAM With 1 KG / 150 ps Logic Gate Array, 1989, IS SCC, pp. 28-29.
  • 3. Masayoshi Kimoto u. a., A 1.4 ns/64 kb RAM With 85 ps/3680 Logic Gate Array, 1989 CI CC, S. 15.8.1-15.8.4.3. Masayoshi Kimoto et al., A 1.4 ns / 64 kb RAM With 85 ps / 3680 Logic Gate Array, 1989 CI CC, pp. 15.8.1-15.8.4.

Das SA-Signal 6f wird in den Speicherzugriffsstadien t2 und t3 erzeugt und dient nur für eine vorbestimmte Zeit­ dauer als Signal zur Aktivierung des Leseverstärkers.The SA signal 6 f is generated in the memory access stages t 2 and t 3 and only serves as a signal for activating the sense amplifier for a predetermined period of time.

Bei einer unabhängigen Steuerung der Aktivierung des Lese­ verstärkers wird das durch das Stromschalten verursachte Stromversorgungsrauschen innerhalb eines zulässigen Be­ reichs aufrechterhalten und kann als ein Signal zur Mini­ mierung der Aktivierungszeit des Leseverstärkers, der einen hohen Stromverbrauch hat, verwendet werden.With independent control of the activation of the reading amplifier is caused by the current switching Power supply noise within an allowable range empire and can serve as a signal to the mini the activation time of the sense amplifier, the one has high power consumption.

Ein Beispiel der Schaltungsstromsteuerung durch das PUMP- Signal und das SA-Signal wird weiter unten beschrieben. An example of circuit current control by the PUMP Signal and the SA signal is described below.  

Fig. 9(A) zeigt ein erstes Beispiel der Schaltung, die den Schaltungsstrom durch das PUMP-Signal steuert, und Fig. 9 (A) shows a first example of the circuit that controls the circuit current through the PUMP signal, and

Fig. 9(B) zeigt Operations-Impulssignalformen. Fig. 9 (B) shows operation pulse waveforms.

Die Bezugsziffern 811 und 812 bezeichnen PMOS, deren Source mit einer Stromversorgung V1 und deren Gates miteinander und mit dem Drain eines PMOS 811 verbunden sind. Die Be­ zugsziffern 821, 822 und 823 bezeichnen NMOS. Der Drain des NMOS 821 ist mit dem Drain des PMOS 811 verbunden, an des­ sen Gate das PUMP-Signal anliegt und dessen Source mit einem Referenzpotential verbunden ist.Reference numerals 811 and 812 denote PMOS, the sources of which are connected to a power supply V 1 and the gates of which are connected to one another and to the drain of a PMOS 811 . The reference numerals 821 , 822 and 823 denote NMOS. The drain of the NMOS 821 is connected to the drain of the PMOS 811 , at whose gate the PUMP signal is present and the source of which is connected to a reference potential.

Der Drain des NMOS 822 ist mit dem Drain des PMOS 812 ver­ bunden; das Gate desselben ist mit dem Ausgang eines Inver­ ters 830 und seine Source ist mit dem Referenpotential ver­ bunden. Der Eingang des Inverters 830 ist mit dem PUMP- Signal verbunden.The drain of the NMOS 822 is connected to the drain of the PMOS 812 ; its gate is connected to the output of an inverter 830 and its source is connected to the reference potential. The input of inverter 830 is connected to the PUMP signal.

Bezugsziffer 840 bezeichnet eine aktive Schaltung wie bei­ spielsweise einen Differenzverstärker. Er ist in einem funktionellen Schaltungsblock, wie beispielsweise dem Da­ tencachespeicher 112, der Arithmetik-Logik-Einheit 140 oder der Registerdatei 150 vorgesehen (s. Fig. 2). Ein vorbe­ stimmter Betriebsstrom wird von einer Konstantstromquelle 850 durch den NMOS 823 geliefert. Das Gate des NMOS 823 und die Masse GND sind mit dem Integrationskondensator C ver­ bunden.Reference numeral 840 denotes an active circuit such as a differential amplifier. It is provided in a functional circuit block, such as data cache 112 , arithmetic logic unit 140 or register file 150 (see FIG. 2). A predetermined operating current is supplied by a constant current source 850 through the NMOS 823 . The gate of the NMOS 823 and the ground GND are connected to the integration capacitor C.

Die PMOS 811 und 812 und die NMOS 821 und 823 bilden eine Stromspiegelschaltung. Wie Fig. 9(B) zeigt, fließt, wenn das PUMP-Signal vom Pegel O auf 1 ansteigt, ein vorbe­ stimmter Ladestrom vom PMOS 812 zum Kondensator C, und die Gate-Spannung Vg des NMOS 823 und der Strom i der Schaltung 840 steigen leicht mit vorbestimmten Nachführungsgeschwin­ digkeiten an (Änderungsgeschwindigkeiten je Zeiteinheit), wie in Fig. 9(B) Mitte und unten gezeigt. Die Anstiegszeit t1 entspricht dem Stadium t1, wie Fig. 8 zeigt.The PMOS 811 and 812 and the NMOS 821 and 823 form a current mirror circuit. As shown in Fig. 9 (B), when the PUMP signal rises from the O level to 1, a predetermined charging current flows from the PMOS 812 to the capacitor C, and the gate voltage Vg of the NMOS 823 and the current i of the circuit 840 increase slightly with predetermined tracking speeds (change speeds per unit time) as shown in Fig. 9 (B) center and below. The rise time t 1 corresponds to the stage t 1 , as shown in FIG. 8.

Gleichermaßen fällt, wenn das PUMP-Signal vom Pegel 1 auf den Pegel 0 wechselt, die Spannung Vg und der Strom i leicht mit einer vorbestimmten Nachführungsgeschwindigkeit ab. Die Abfallzeit t4 entspricht dem Stadium t4, wie Fig. 8 zeigt. Die Anstiegszeit t1 und die Abfallzeit t4 des Stroms i sind nicht notwendigerweise gleich. Die Abfallzeit t4 kann in einem geeigneten Bereich kurz sein, weil der Schal tungsbetrieb eingestellt wurde.Likewise, when the PUMP signal changes from level 1 to level 0, voltage Vg and current i drop slightly at a predetermined tracking rate. The fall time t 4 corresponds to the stage t 4 , as shown in FIG. 8. The rise time t 1 and the fall time t 4 of the current i are not necessarily the same. The fall time t 4 can be short in a suitable range because the switching operation has been stopped.

Fig. 10(A) zeigt ein zweites Beispiel der Schaltung zur Steuerung des Schaltungsstroms unter Verwendung des PUMP- Signals, und Fig. 10(B) zeigt Operations-Impulssignal­ formen. Fig. 10 (A) shows a second example of the circuit for controlling the circuit current using the PUMP signal, and Fig. 10 (B) shows the operation pulse signal shape.

Die Bezugsziffern 911 bis 914 bezeichnen Inverter, die Bezugsziffern 921 bis 923 bezeichnen NMOS. Die Bezugs­ ziffern 931 bis 933 bezeichnen Konstantstromquellen, und die Bezugsziffer 940 bezeichnet eine aktive Schaltung, wie beispielsweise einen Differenzverstärker, der in einem funktionellen Schaltungsblock wie beispielsweise dem Daten­ cachespeicher 112 der Arithmetik-Logik-Einheit 140 oder der Registerdatei 150 vorgesehen ist (s. Fig. 2).Reference numerals 911 to 914 denote inverters, reference numerals 921 to 923 denote NMOS. Reference numerals 931 to 933 denote constant current sources, and reference numeral 940 denotes an active circuit, such as a differential amplifier, which is provided in a functional circuit block, such as the data cache 112 of the arithmetic logic unit 140 or the register file 150 (see. Fig. 2).

Die Verzögerungszeiten der Inverter 912 bis 914 sind so gewählt, daß sie in der Reihenfolge 914, 913, 912 anstei­ gen. Wenn also das PUMP-Signal von 0 auf 1 wechselt, wie Fig. 10(B) zeigt, steigen die in den NMOS 921 bis 923 fließenden Ströme i1 bis i3 mit einer vorbestimmten Zeit­ verzögerung an, und der Betriebsstrom der aktiven Schaltung 940 steigt schrittweise nach der Zeitdauer t1 bis auf einen konstanten Strom i1 + i2 + i3 an. The delay times of the inverters 912 to 914 are selected so that they increase in the order 914 , 913 , 912. Thus, when the PUMP signal changes from 0 to 1, as shown in FIG. 10 (B), those in the NMOS increase 921 to 923 flowing currents i 1 to i 3 with a predetermined time delay, and the operating current of the active circuit 940 increases gradually after the time period t 1 to a constant current i 1 + i 2 + i 3 .

Desgleichen fällt, wenn das PUMP-Signalt von 1 auf 0 wechselt, der Schaltungsstrom 940 schrittweise in der Zeit t4 ab. Das bedeutet, daß ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 eine weiche Stromänderung erzielt wird.Likewise, when the PUMP signal changes from 1 to 0, the circuit current 940 gradually drops in time t 4 . This means that similar to the embodiment of FIG. 9, a soft current change is achieved.

Die Anstiegszeit t1 bzw. die Abfallzeit t4 entsprechen dem Stadium t1 bzw. dem Stadium t4 der Fig. 8, wie das auch im ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.The rise time t 1 and the fall time t 4 correspond to stage t 1 and stage t 4 of FIG. 8, as is also the case in the first exemplary embodiment.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Schaltungsstrom unter Verwendung des PUMP-Signals und des SA-Signals gesteuert. Der Schaltungsstrom kann alternativ dazu auch durch andere übliche Methoden gesteuert werden.In the exemplary embodiments described above, the Switching current using the PUMP signal and  SA signal controlled. The circuit current can alternatively can also be controlled by other common methods.

Für den ersten Schaltungsstromsteuerkreis wird ein Beispiel der Schaltungsstromsteuerung in dem Datencachespeicher 112 erläutert (s. Fig. 2).For the first circuit current control circuit, an example of the circuit current control in the data cache 112 is explained (see FIG. 2).

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Stromsteuerung für den Adreßpuffer 510 in Fig. 6 des Datencachespeichers 112. FIG. 11 shows an embodiment of the current control for the address buffer 510 in FIG. 6 of the data cache 112 .

Die Bezugsziffern 1011 bis 1014 bezeichnen NPN-Transisto­ ren, die Bezugsziffern 1021 und 1022 bezeichnen Widerstän­ de, die Bezugsziffern 1031 bis 1033 bezeichnen NMOS, und die Bezugsziffern 1041 bis 1043 bezeichnen Konstantstrom­ quellen.The reference numerals 1011 to 1014 denote NPN transistors, the reference numerals 1021 and 1022 denote resistors, the reference numerals 1031 to 1033 denote NMOS, and the reference numerals 1041 to 1043 denote constant current sources.

Die Emitter der NPN-Transistoren 1011 und 1012 sind mitein­ ander und über den NMOS 1031 mit der Konstantstromquelle 1041 verbunden. Die Basen der NPN-Transistoren 1011 und 1012 sind mit einem Adressensignal Ai bzw. einem Referenz­ potential VR verbunden, und deren Kollektoren sind mit einer Stromversorgung V1 über die Widerstände 1021 und 1022 verbunden. Die Kollektoren der NPN-Transistoren 1013 und 1014 sind mit der Stromversorgung V1 verbunden, und deren Basen sind mit dem Kollektor des NPN-Transistors 1011 und dem Kollektor des NPN-Transistors 1012 verbunden. Die Emitter der NPN-Transistoren 1013 und 1014 sind über die NMOS 1032 bzw. 1033 mit den Konstantstromquellen 1042 bzw. 1043 verbunden.The emitters of the NPN transistors 1011 and 1012 are connected to one another and to the constant current source 1041 via the NMOS 1031 . The bases of the NPN transistors 1011 and 1012 are connected to an address signal A i and a reference potential V R , respectively, and their collectors are connected to a power supply V 1 via the resistors 1021 and 1022 . The collectors of NPN transistors 1013 and 1014 are connected to the power supply V 1 and their bases are connected to the collector of NPN transistor 1011 and the collector of NPN transistor 1012 . The emitters of NPN transistors 1013 and 1014 are connected to constant current sources 1042 and 1043 via NMOS 1032 and 1033, respectively.

Der Ausgang ai wird am Emitter des NPN-Transistors 1014 als nicht invertierter Ausgang des Eingangs i und der Ausgang ai wird am Emitter des NPN-Transistors 1013 als invertier­ ter Ausgang des Eingangs Ai abgenommen. Die Gates der NMOS 1031 bis 1033 sind gemeinsam mit dem Steuersignal Vg ver­ bunden, das dem in Fig. 9 gezeigten Signal Vg entspricht.The output a i is taken at the emitter of the NPN transistor 1014 as the non-inverted output of the input i and the output ai is taken at the emitter of the NPN transistor 1013 as the inverted output of the input A i . The gates of the NMOS 1031 to 1033 are connected together with the control signal Vg, which corresponds to the signal Vg shown in FIG. 9.

Die NPN-Transistoren 1011 und 1012, die Widerstände 1021 und 1022 und die Konstantstromquelle 1041 bilden einen Dif­ ferenzverstärker. Wenn das Stromsteuersignal Vg auf dem Pegel 1 ist und das Adreßsignal Ai höher als Vg ist, schal­ tet der NPN-Transistor 1011 ein, der NPN-Transistor 1012 schaltet aus, der Kollektor des NPN-Transistors 1011 be­ findet sich auf dem Pegel 0, und der Kollektor des NPN- Transistors 1012 ist auf dem Pegel 1.The NPN transistors 1011 and 1012 , the resistors 1021 and 1022 and the constant current source 1041 form a dif ferential amplifier. When the current control signal Vg is at level 1 and the address signal A i is higher than Vg, the NPN transistor 1011 turns on, the NPN transistor 1012 turns off, the collector of the NPN transistor 1011 is at the level 0 , and the collector of NPN transistor 1012 is at level 1.

Der Kollektor des NPN-Transistors 1011 ist mit der Basis des Emitterfolgertransistors 1013 verbunden, der die 0- Pegel-Ausgabe ai an dessen Emitter erzeugt. In gleicher Weise ist der Kollektor des NPN-Transistors 1012 mit der Basis des Emitterfolgertransistors 1014 verbunden, der den Pegel-1-Ausgang ai an seinem Emitter erzeugt.The collector of the NPN transistor 1011 is connected to the base of the emitter follower transistor 1013 , which generates the 0-level output a i at its emitter. In the same way, the collector of NPN transistor 1012 is connected to the base of emitter follower transistor 1014 , which produces level 1 output a i at its emitter.

Wenn das Adreßsignal Ai niedriger als VR ist, arbeiten der NPN-Transistor 1011 und der NPN-Transistor 1012 entgegen­ gesetzt, so daß sich der ai-Ausgang auf dem Pegel 1 und der ai-Ausgang auf dem Pegel 0 befinden.If the address signal A i is lower than V R , the NPN transistor 1011 and the NPN transistor 1012 operate in opposite directions, so that the ai output is at level 1 and the a i output is at level 0.

Wenn das Stromsteuersignal Vg auf dem Pegel 0 ist, werden alle NMOS 1031 bis 1033 ausgeschaltet. Da von der Stromver­ sorgung V1 kein Stromweg zur Masse GND führt, verbraucht die Schaltung keinen Strom.When the current control signal Vg is at level 0, all NMOS 1031 to 1033 are turned off. Since there is no current path from the power supply V 1 to ground GND, the circuit does not consume any current.

Weil das Stromsteuersignal Vg die vorbestimmten Anstiegs- und Abfallzeiten, wie in Fig. 9(B) gezeigt, aufweist, findet eine sanfte Stromänderung statt, wie 7a in Fig. 8 zeigt.Because the current control signal Vg has the predetermined rise and fall times as shown in Fig. 9 (B), a smooth current change takes place, as shown in Fig. 8, 7a.

Daher können das Stromversorgungs- und das Masseleitungs­ rauschen (s. Fig. 1(B)), die beim Schalten des Stroms auftreten, bis auf einen gewünschten Pegel unterdrückt werden.Therefore, the power supply and ground line noise (see FIG. 1 (B)) that occur when the power is switched can be suppressed to a desired level.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel der Schaltungsstromsteuerung für den Treiber des Dekodierers 520, das Speicherfeld 530 und den Leseverstärker 540 (s. Fig. 6) im Datencachespeicher. FIG. 12 shows an example of circuit current control for the decoder 520 driver, memory array 530, and sense amplifier 540 (see FIG. 6) in the data cache.

Die Bezugsziffern 1161 und 1162 bezeichnen NOR-Gatter, die dem Endstadium des Adressendekodierers entsprechen.Reference numerals 1161 and 1162 denote NOR gates which correspond to the end stage of the address decoder.

Die Bezugsziffern 1171 und 1172 bezeichnen einen Worttrei­ ber, der AND-Gatter enthält. Die Ausgänge der Adressende­ kodierer 1161 und 1162 sind mit einem Eingang verbunden, das Steuersignal Vg ist mit dem anderen Eingang verbunden, und die Wortleitungen WL1 und WL2 werden durch dessen Aus­ gang betrieben.Reference numerals 1171 and 1172 denote a word driver containing AND gates. The outputs of the address end encoders 1161 and 1162 are connected to one input, the control signal Vg is connected to the other input, and the word lines WL 1 and WL 2 are operated by its output.

Die Bezugsziffer 1100 bezeichnet eine 4-MOS-Speicherzelle, ist aber nicht darauf beschränkt. Zur besseren Anschaulich­ keit ist nur eine Zelle dargestellt.Reference numeral 1100 denotes a 4-MOS memory cell, but is not limited to this. Only one cell is shown for better clarity.

Die Bezugsziffern 1111 und 1112 bezeichnen Last-MOS zum Hochziehen von Bitleitungen. Die Bezugsziffern 1113 bis 1116 bezeichnen MOS-Schalter zum Anwählen der Bitleitungen. Eine gewünschte Bitleitung wird mit einer gemeinsamen Da­ tenleitung 1120 durch die Spaltenanwahlsignale C1 und C2 verbunden.Reference numerals 1111 and 1112 denote load MOS for pulling up bit lines. Reference numerals 1113 to 1116 denote MOS switches for selecting the bit lines. A desired bit line is connected to a common data line 1120 by the column selection signals C 1 and C 2 .

Die Bezugsziffern 1121 und 1122 bezeichnen Emitterfolger­ schaltungen, die NPN-Transistoren enthalten. Sie verschie­ ben den Signalpegel auf der gemeinsamen Datenleitung 1120 um VBE (Basis-Emitter-Spannung) und liefern ihn an die Basis des NPN-Transistors 1123 bzw. 1124. Die Emitter der NPN- Transistoren 1123 und 1124 sind miteinander und mit einer Stromquelle 1151 über einen NMOS 1141 verbunden. Die Kollektoren der NPN-Transistoren 1123 und 1124 sind mit der Stromversorgung V1 über die Widerstände 1131 und 1132 verbunden.Reference numerals 1121 and 1122 denote emitter follower circuits that contain NPN transistors. They shift the signal level on the common data line 1120 by V BE (base-emitter voltage) and deliver it to the base of the NPN transistor 1123 and 1124 . The emitters of NPN transistors 1123 and 1124 are connected to one another and to a current source 1151 via an NMOS 1141 . The collectors of the NPN transistors 1123 and 1124 are connected to the power supply V 1 via the resistors 1131 and 1132 .

Die NPN-Transistoren 1123, 1124, die Widerstände 1131, 1132 und die Stromquelle 1151 bilden einen Differenzverstärker, der ein kleines Signal, das von der Speicherzelle 1100 ausgelesen wird, auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt. Desgleichen bezeichnet die Bezugsziffer 1150 einen Dif­ ferenzverstärker, der zwei Widerstände und zwei NPN-Tran­ sistoren aufweist und über einen NMOS 1142 mit einer Kon­ stantstromquelle 1152 verbunden ist.NPN transistors 1123 , 1124 , resistors 1131 , 1132 and current source 1151 form a differential amplifier that amplifies a small signal that is read out from memory cell 1100 to a predetermined level. Likewise, reference numeral 1150 denotes a differential amplifier which has two resistors and two NPN transistors and is connected via an NMOS 1142 to a constant current source 1152 .

Die zwei Eingänge des Verstärkers 1150 sind mit den Kollek­ toren der NPN-Transistoren 1123 und 1124 verbunden. Die daran anliegenden Signale werden zur Erzeugung eines Aus­ gangssignals mit einer vorbestimmten Amplitude an einem An­ schluß 1151 verstärkt.The two inputs of amplifier 1150 are connected to the collectors of NPN transistors 1123 and 1124 . The signals applied to it are amplified to generate an output signal with a predetermined amplitude at a circuit 1151 .

Das Stromsteuersignal Vg (s. Fig. 9) ist mit jeweils einem Eingang der AND-Gatter 1171 und 1172 verbunden. Wenn Vg den Pegel 1 aufweist, werden die AND-Gatter 1171 und 1172 zum selektiven Treiben der Wortleitungen WL1 und WL2 selektiv getrieben. Wenn andererseits Vg den Pegel 0 aufweist, wer­ den die Worttreiber einschließlich der AND-Gatter 1171 und 1172 ausgeschaltet. Dementsprechend sind die in den Spei­ cherzellen einschließlich der Speicherzelle 1000 fließenden Ströme blockiert. Daher wird dann, wenn auf den Speicher nicht zugegriffen wird, ein unnötiger Stromverbrauch vermieden.The current control signal Vg (see FIG. 9) is connected to an input of the AND gates 1171 and 1172 , respectively. When Vg is level 1 , AND gates 1171 and 1172 are selectively driven to selectively drive word lines WL 1 and WL 2 . On the other hand, if Vg is at level 0, the word drivers including AND gates 1171 and 1172 are turned off. Accordingly, the currents flowing in the memory cells including the memory cell 1000 are blocked. Therefore, if the memory is not accessed, unnecessary power consumption is avoided.

Gleichermaßen ist das Stromsteuersignal Vg mit den Gates der NMOS 1141 und 1142 verbunden. Wenn Vg sich auf dem Pegel 1 befindet, werden die NMOS 1141 und 1142 einge­ schaltet, und wenn Vg sich auf dem Pegel 1 befindet, werden sie ausgeschaltet.Likewise, the current control signal Vg is connected to the gates of the NMOS 1141 and 1142 . When Vg is at level 1 , NMOS 1141 and 1142 are turned on and when Vg is at level 1 they are turned off.

Daher fließt dann, wenn auf den Speicher nicht zugegriffen wird, kein Strom im Leseverstärker, und unnötiger Stromver­ brauch wird vermieden.Therefore, flows when the memory is not accessed no current in the sense amplifier, and unnecessary current consumption need is avoided.

Ziffer 7a in Fig. 8 zeigt die Änderung des Schaltungsstroms durch das Stromsteuersignal Vg. Daher kann das durch das Schalten des Stroms verursachte Stromversorgungs- und Masserauschen auf einen zulässigen Pegel gesenkt und, weil zur Startzeit des Speicherzugriffs kein Rauschen vorhanden ist, ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb erzielt werden.Numeral 7 a in Fig. 8 shows the change in the circuit current by the current control signal Vg. Therefore, the power supply and ground noise caused by the switching of the current can be reduced to an allowable level and, because there is no noise at the start of the memory access, high-speed operation can be achieved will.

Fig. 12 zeigt, daß, wenn der Schalter SW 1180 auf die Position des Signals SA geschaltet wird, die NMOS 1141 und 1142 für einen kurzen Zeitraum aktiviert werden. Wie oben beschrieben, ist das Signal SA ein Impulssignal, das den Pegel 1 nur für die vorbestimmte Zeit der Speicherzu­ griffsstadien t2 und t3 annimmt. Im Ausführungsbeispiel liefert es den Strom an den Leseverstärker nur für die Zeit, in der auf den Speicher zugegriffen wird. Daher kann Strom gespart werden. Fig. 12 shows that when switch SW 1180 is switched to the position of signal SA, NMOS 1141 and 1142 are activated for a short period of time. As described above, the signal SA is a pulse signal which assumes the level 1 only for the predetermined time of the memory access stages t 2 and t 3 . In the exemplary embodiment, it supplies the current to the sense amplifier only for the time in which the memory is being accessed. Therefore, electricity can be saved.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel des Stromsteuersignals für den Ausgangstreiber 550 (s. Fig. 6) des Datencachespeichers 112. Fig. 13 shows an example of the current control signal for the output driver 550 (s. Fig. 6) of the data cache memory 112.

Drain, Gate und Source eines PMOS 1211 sind mit der Basis eines NPN-Transistors 1142, dem Eingang Vein bzw. der Stromversorgung V1 verbunden. Drain, Gate und Source eines NMOS 1221 sind mit der Basis des NPN-Transistors 1241, dem Eingang Vein bzw. einem Ende eines Widerstandes 1251 verbun­ den. Drain, Gate und Source eines PMOS 1222 sind mit dem Drain des NMOS 1221, einem Stromsteuersignal Vg bzw. der Basis des NPN-Transistors 1241 verbunden. Ein Kondensator 1261 ist parallel an den Widerstand 1251 gelegt. Anode und Kathode einer Diode 1231 sind mit dem Kollektor und der Basis des NPN-Transistors 1241 verbunden, und die Stromver­ sorgung V1 ist mit dem Kollektor des NPN-Transistors 1241 verbunden. Der Emitter des NPN-Transistors 1241 ist ein Ausgangsterminal, und ein Abschlußwiderstand 1252 ist mit dem Ausgangsanschluß und der Stromversorgung V2 verbunden.Drain, gate and source of a PMOS 1211 to the base of an NPN transistor 1142, the input V on and the power supply V 1 is connected. The drain, gate and source of an NMOS 1221 are connected to the base of the NPN transistor 1241 , the input V one and one end of a resistor 1251, respectively. The drain, gate and source of a PMOS 1222 are connected to the drain of the NMOS 1221 , a current control signal Vg and the base of the NPN transistor 1241 , respectively. A capacitor 1261 is connected in parallel to the resistor 1251 . Anode and cathode of a diode 1231 are connected to the collector and the base of the NPN transistor 1241 , and the power supply V 1 is connected to the collector of the NPN transistor 1241 . The emitter of NPN transistor 1241 is an output terminal and a terminating resistor 1252 is connected to the output terminal and the power supply V 2 .

Wenn das Stromsteuersignal Vg auf dem Pegel 1 ist, wird der PMOS 1222 abgeschaltet. Wenn der Eingang Vein sich auf dem Pegel 0 befindet, wird der PMOS 1211 eingeschaltet und der NMOS 1221 ausgeschaltet. Daher wird die Basisspannung des NPN-Transistors 1241 über den PMOS 1211 erhöht, und der Ausgang Vaus nimmt den Pegel 1 an. Wenn Vein sich auf dem Pegel 1 befindet, wird der PMOS 1211 ausgeschaltet, und der NMOS 1221 ist eingeschaltet. Daher fällt die Basisspannung des NPN-Transistors 1241 ab, und der Ausgang Vaus nimmt den Pegel 0 an.When the current control signal Vg is at level 1, the PMOS 1222 is turned off. When the input V is a at the 0 level, the PMOS is turned off 1211 and the NMOS 1221st Therefore, the base voltage of the NPN transistor 1241 is increased via the PMOS 1211 , and the output V out assumes level 1. If V is a 1 on the level, the PMOS is turned off 1211 and the NMOS 1221 is turned on. Therefore, the base voltage of the NPN transistor 1241 drops and the output V out assumes the level 0.

Die Diode 1231 dient als Klemme, um innerhalb eines vorbe­ stimmten Pegels den Abfall des Basispotentials des NPN- Transistors 1241 zu unterdrücken.The diode 1231 serves as a clamp to suppress the drop in the base potential of the NPN transistor 1241 within a predetermined level.

Der Widerstand 1251 ist ein Strombegrenzungswiderstand, und der Kondensator 1261 ist ein Beschleunigungskondensator. Resistor 1251 is a current limiting resistor and capacitor 1261 is an accelerating capacitor.

Wenn Vg sich auf dem Pegel 0 befindet, wird der PMOS 1222 eingeschaltet. Das Basispotential des NPN-Transistors 1241 fällt ohne Berücksichtigung des Pegels des Eingangs Vein ab, so daß der Ausgang Vaus den Pegel 0 annimmt.When Vg is at level 0, the PMOS 1222 turns on. The base potential of the NPN transistor 1241 drops without regard to the level of the input V a decreases so that the output V from the level assumes 0th

Auf diese Weise wird der gleiche Effekt wie bei den Schal­ tungsstromsteuerungen für den Adreßpuffer 510, den Dekodie­ rungstreiber 520, das Speicherfeld 530 und den Lesever­ stärker 540 erzielt.In this way, the same effect as in the circuit current controls for the address buffer 510 , the decoding driver 520 , the memory array 530 and the sense amplifier 540 is achieved.

Die Schaltungsstromsteuerung im Datencachespeicher 112 (s. Fig. 2) ist obenstehend für die erste Schaltungsstrom­ steuerung beschrieben worden, obwohl auch die zweite Schal­ tungsstromsteuerung (s. Fig. 8) oder eine andere Schal­ tungsstromsteuerung verwendet werden können.The circuit current control in data cache 112 (see FIG. 2) has been described above for the first circuit current control, although the second circuit current control (see FIG. 8) or other circuit current control may also be used.

Im Ausführungsbeispiel wurde eine Senkung des Leistungsver­ brauchs beim Zugriff auf den Speicher beschrieben, der das Zugriffsankündigungssignal verwendet. Der Erfindungsgedanke ist in gleicher Weise auf jede funktionelle Schaltung an­ wendbar, deren Betrieb durch eine Dekodierung eines Be­ fehlsworts gesteuert wird, wie beispielsweise eine Arith­ metik-Logik-Einheit in einem Ein-Chip-Mikroprozessor oder einer Registerdatei. Im Ausführungsbeispiel steigt der Schaltungsstrom synchron mit dem Stadium an, das vor dem Ausführungsstadium der Operation liegt. Eine Synchroni­ sierung ist nicht immer notwendig, jedoch kann der Anstieg vor dem Beginn des Ausführungsstadiums bis zu einer Zeit gestartet werden, die zur Senkung des Stromversorgungs- und Masseleitungsrauschens, das bei der Stromänderung auftritt, auf einen vorbestimmten Pegel ausreichend ist. In diesem Fall kann anstelle einer Synchronisierung mit dem Stadium, das vor dem Ausführungsstadium liegt, das PUMP-Signal zu einem gewünschten Zeitpunkt wirksam gemacht werden.In the embodiment, a reduction in the power was needed when accessing the memory that the Access announcement signal used. The idea of the invention is in the same way on every functional circuit reversible, their operation by decoding a Be is controlled such as an Arith Metic logic unit in a one-chip microprocessor or a register file. In the exemplary embodiment, the Switching current in synchronism with the stage before the Execution stage of the operation. A synchronizer This is not always necessary, but the increase can up to a time before the start of the execution stage be started to lower the power supply and Ground line noise that occurs when the current changes, to a predetermined level is sufficient. In this Case can instead of synchronizing with the stage, before the execution stage, the PUMP signal be made effective at a desired time.

Im Ausführungsbeispiel steigt der Strom für die Speicher­ schaltung und die andere funktionelle Schaltung im Ein- Chip-Mikroprozessor vor dem Beginn der Operation durch das Zugriffankündigungssignal, das vor dem tatsächlichen Be­ trieb der Schaltung erzeugt wird, mit der vorbestimmten Geschwindigkeit an. Daher verbrauchen die funktionellen Schaltungen den für die Schaltungsleistung erforderlichen Strom nur während des tatsächlichen Betriebs. Daher wird der Stromverbrauch des Ein-Chip-Mikroprozessors reduziert.In the exemplary embodiment, the current for the memories increases circuit and the other functional circuit in the Chip microprocessor before the start of the operation by the  Access announcement signal that before the actual loading Drive the circuit is generated with the predetermined Speed. Therefore, the functional consume Circuits that are required for circuit performance Electricity only during actual operation. Therefore the power consumption of the one-chip microprocessor is reduced.

Weil dank der Tatsache, das Strom gespart wird, neue Funk­ tionen eingeführt werden können, wird eine funktionell hochwertige und hochintegrierte Anordnung erzielt.Because thanks to the fact that electricity is saved, new radio can be introduced, it becomes functional high quality and highly integrated arrangement achieved.

Weil der Schaltungsstrom der funktionellen Schaltung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit geändert wird, kann das Stromversorgungs- und das Masseleitungsrauschen, das bei der Stromänderung auftritt, bis auf den vorbestimmten Pegel gesenkt werden. Es wird daher ein höchst zuverlässiger Schaltbetrieb erzielt.Because the circuit current with the functional circuit a predetermined speed is changed, the Power and ground line noise that the current change occurs up to the predetermined level be lowered. It will therefore be a highly reliable one Switching operation achieved.

In der funktionellen Schaltung gemäß dem Ausführungsbei­ spiel ist das Stromversorgungsrauschen und das Masselei­ tungsrauschen zum Zeitpunkt des Beginns des tatsächlichen Betriebs verschwunden, die Schaltung kann unter besten Strombedingungen betrieben werden und arbeitet mit einer hohen Geschwindigkeit.In the functional circuit according to the embodiment The game is the power supply noise and the mess noise at the time the actual Operating disappeared, the circuit can be among the best Current conditions are operated and works with a high speed.

Die Erfindung ist auch bei Super-Skalar-RISC-Prozessoren vorteilhaft anwendbar.The invention is also in super-scalar RISC processors advantageously applicable.

In dem Super-Skalar-RISC-Prozessor sind mehrere Arithmetik- Logik-Einheiten, die sich eine Registerdatei teilen, vor­ gesehen, und die Befehle sind vereinfacht, um die Anzahl der Pipeline-Stadien zu reduzieren, und eine Vielzahl von Befehlen wird zur Kontrolle der Vielzahl von Arithmetik- Logik-Einheiten in einem Maschinenzyklus abgerufen. Es wird nämlich eine Vielzahl von Befehlen während eines Maschinen­ zyklus parallel abgerufen und ausgeführt, und eine Vielzahl von Arithmetik-Logik-Einheiten werden zur Steigerung der Verarbeitungsleistung parallel betrieben.In the super scalar RISC processor, several arithmetic Logic units that share a register file seen, and the commands are simplified to the number to reduce the pipeline stages, and a variety of Instructions are used to control the variety of arithmetic Logic units retrieved in one machine cycle. It will namely a variety of commands during a machine cycle accessed and executed in parallel, and a variety  of arithmetic logic units are used to increase the Processing power operated in parallel.

Wie oben erläutert, wird gemäß der Erfindung eine inte­ grierte Halbleiterschaltungsanordnung und insbesondere ein Mikroprozessor, der einen Ein-Chip-Speicher, wie beispiels­ weise einen Cachespeicher, enthält und der eine niedere Leistungsaufnahme des funktionellen Schaltungsblocks und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht, zur Verfügung gestellt.As explained above, an inte free semiconductor circuit arrangement and in particular Microprocessor, the one-chip memory, such as has a cache, and contains a low one Power consumption of the functional circuit block and enables high-speed operation posed.

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung des Stromverbrauchs in inte­ grierten Halbleiterschaltungsanordnungen mit einem Mikroprozessor mit mindestens einem funktionellen Schaltungsblock (112, 140, 150), das folgende Schritte umfaßt:
  • 1. Erfassung des Betriebsbeginns des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) vor seinem tat­ sächlichen Betriebsbeginn,
  • 2. Versorgung des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) mit dem zu seinem Betrieb erforderlichen Betriebsstrom (i2) zu seinem tatsächlichen Betriebs­ beginn und während seines Betriebs (t2, t3) und
  • 3. Wegnahme des Betriebsstroms (i2) vom funktionellen Schaltungsblock (112, 140, 150) nach seinem Betriebs­ ende,
gekennzeichnet durch
  • 1. Steigerung des Schaltungsstroms (i) des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) während einer vorgegebenen Zeitdauer (t1) vor dem tatsächlichen Be­ triebsbeginn von einem Standby-Strom (i1), bei dem der funktionelle Schaltungsblock (112, 140, 150) niedrige Leistungsaufnahme aufweist, auf den Be­ triebsstrom (i2) und
  • 2. Verringerung des Schaltungsstroms (i) nach Betriebs­ ende des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) während einer vorgegebenen Zeitdauer (t4) auf den Standby-Strom (i1).
1. A method for controlling the current consumption in integrated semiconductor circuit arrangements with a microprocessor with at least one functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ), comprising the following steps:
  • 1. Detection of the start of operation of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) before its actual start of operation,
  • 2. Supply of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) with the operating current (i 2 ) required for its operation to begin its actual operation and during its operation (t 2 , t 3 ) and
  • 3. removal of the operating current (i 2 ) from the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) after its end of operation,
marked by
  • 1. Increase in the circuit current (i) of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) during a predetermined time period (t 1 ) before the actual start of operation from a standby current (i 1 ) at which the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) has low power consumption, on the operating current (i 2 ) and
  • 2. Reduction of the circuit current (i) after the end of operation of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) for a predetermined time period (t 4 ) to the standby current (i 1 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der vorgegebenen Zeitdauer (t1), während welcher der Schaltungsstrom (i) vom Standby-Strom (i1) auf den Betriebsstrom (i2) gesteigert wird, ein nicht mit dem Betriebszyklus (t2, t3, CLK) des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) synchronisierter Zeit­ punkt ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the beginning of the predetermined period (t 1 ) during which the circuit current (i) from the standby current (i 1 ) to the operating current (i 2 ) is increased, not with the Operating cycle (t 2 , t 3 , CLK) of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) is synchronized point in time. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der vorgegebenen Zeitdauer (t1), während welcher der Schaltungsstrom (i) vom Standby-Strom (i1) auf den Betriebsstrom (i2) gesteigert wird, ein mit dem Betriebszyklus (t2, t3, CLK) des funktionellen Schal­ tungsblocks (112, 140, 150) synchronisierter Zeitpunkt ist.3. The method according to claim 1, characterized in that the beginning of the predetermined period (t 1 ) during which the circuit current (i) from the standby current (i 1 ) to the operating current (i 2 ) is increased, with the operating cycle (t 2 , t 3 , CLK) of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) is synchronized time. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der funktionelle Schaltungsblock (112, 140, 150) ein Datencachespeicher (112), eine Arithmetik-Logik-Einheit (140) oder eine Registerdatei (150) ist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) is a data cache memory ( 112 ), an arithmetic logic unit ( 140 ) or a register file ( 150 ). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Dekodierung eines Befehls er­ mittelt wird, welcher funktionelle Schaltungsblock (112, 140, 150) zu seinem tatsächlichen Betriebsbeginn in Betrieb gehen soll.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that when a command is decoded, it is averaged which functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) should go into operation at its actual start of operation. 6. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, mit einem Mikroprozessor (100), der aufweist:
  • 1. einen oder mehrere funktionelle Schaltungsblöcke (112, 140, 150),
  • 2. ein Befehlsdatenregister (104),
  • 3. eine Befehlsdekodiereinrichtung (120, 130), die Be­ fehlsdaten aus dem Befehlsdatenregister (104) deko­ diert und Befehlssteuersignale (121, 122) zur Steue­ rung des Betriebs der funktionellen Schaltungsblöcke (112, 140, 150) erzeugt, und
  • 4. eine Einrichtung (570), welche den Betriebsbeginn und das Betriebsende der funktionellen Schaltungsblöcke (112, 140, 150) vor ihrem tatsächlichen Betriebsbe­ ginn erfaßt und Stromsteuersignale (575) an eine Stromsteuereinrichtung abgibt, die zu Betriebsbeginn den Schaltungsstrom (i) der funktionellen Schaltungs­ blöcke (112, 140, 150) von einem niedrigeren Standby- Strom (i1), bei dem der betreffende funktionelle Schaltungsblock (112, 140, 150) eine niedrigere Lei­ stungsaufnahme aufweist, auf den Betriebsstrom (i2) erhöht und während der Dauer (t2, t3) des Betriebs des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) aufrechterhält und nach seinem Betriebsende den Be­ triebsstrom (i2) wieder auf den Standby-Strom (i1) absenkt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Befehlsdekodiereinrichtung (120, 130) Betriebsbe­ ginn-Ankündigungssignale (131, 132, 133) erzeugt und
  • 2. die Einrichtung (570) ein Stromsteuersignalgenerator ist, der die Betriebsbeginn-Ankündigungssignale (131, 132, 133) empfängt und Stromsteuersignale (575) an die Stromsteuereinrichtung abgibt, aufgrund deren sie den Schaltungsstrom (i) der funktionellen Schaltungs­ blöcke (112, 140, 150) während einer vorgegebenen Zeitdauer (t1) vor ihrem Betriebsbeginn vom Standby- Strom (i1) auf den Betriebsstrom (i2) erhöht und nach ihrem Betriebsende während einer vorgegebenen Zeit­ dauer (t4) auf den Standby-Strom (i1) verringert.
6. Integrated semiconductor circuit arrangement, in particular for performing the method according to claims 1 to 5, with a microprocessor ( 100 ) which has:
  • 1. one or more functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ),
  • 2. a command data register ( 104 ),
  • 3. a command decoder ( 120 , 130 ) that decodes command data from the command data register ( 104 ) and generates command control signals ( 121 , 122 ) for controlling the operation of the functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ), and
  • 4. a device ( 570 ) which detects the start of operation and the end of operation of the functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) before their actual start of operation and outputs current control signals ( 575 ) to a current control device which, at the start of operation, the circuit current (i) of the functional Circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) from a lower standby current (i 1 ), in which the functional circuit block in question ( 112 , 140 , 150 ) has a lower power consumption, increased to the operating current (i 2 ) and during the Duration (t 2 , t 3 ) of the operation of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) is maintained and the operating current (i 2 ) is reduced again to the standby current (i 1 ) after its end of operation,
characterized in that
  • 1. the command decoder ( 120 , 130 ) Betriebsbe start announcement signals ( 131 , 132 , 133 ) generated and
  • 2. The device ( 570 ) is a current control signal generator which receives the start of operation announcement signals ( 131 , 132 , 133 ) and outputs current control signals ( 575 ) to the current control device, on the basis of which it blocks the circuit current (i) of the functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) during a predetermined period of time (t 1 ) before the start of its operation from the standby current (i 1 ) to the operating current (i 2 ) and after its end of operation for a predetermined period of time (t 4 ) to the standby current (i 1 ) decreased.
7. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befehlsdekodiereinrichtung (120, 130) zwei Befehlsdekodierer umfaßt, wobei der erste Befehlsdekodierer (120) Befehlsdaten aus dem Be­ fehlsdatenregister (104) dekodiert und Befehlssteuer­ signale (121, 122) zur Steuerung des Betriebs der funk­ tionellen Schaltungsblöcke (112, 140, 150) erzeugt und der zweite Befehlsdekodierer (130) Befehlsdaten aus dem Befehlsdatenregister (104) dekodiert und Betriebsbe­ ginn-Ankündigungssignale (131, 132, 133) erzeugt.7. The semiconductor circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the command decoding device ( 120 , 130 ) comprises two command decoders, the first command decoder ( 120 ) decoding command data from the command data register ( 104 ) and command control signals ( 121 , 122 ) for controlling the operation of the functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) and the second instruction decoder ( 130 ) decodes instruction data from the instruction data register ( 104 ) and generates start of operation announcement signals ( 131 , 132 , 133 ). 8. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuereinrichtung so ausgebildet ist, daß der Beginn der vorgegebenen Zeitdauer (t1), während welcher der Schaltungsstrom (i) vom Standby-Strom (i1) auf den Betriebsstrom (i2) gesteigert wird, ein nicht mit dem Betriebszyklus (t2, t3, CLK) des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) synchronisierter Zeitpunkt ist.8. A semiconductor circuit arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the current control device is designed such that the start of the predetermined period (t 1 ) during which the circuit current (i) from the standby current (i 1 ) to the operating current (i 2 ) is a time that is not synchronized with the operating cycle (t 2 , t 3 , CLK) of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ). 9. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuereinrichtung so ausgebildet ist, daß der Beginn der vorgegebenen Zeitdauer (t1), während welcher der Schaltungsstrom (i) vom Standby-Strom (i1) auf den Betriebsstrom (12) gesteigert wird, ein mit dem Betriebszyklus (t2, t3, CLK) des funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) synchronisierter Zeitpunkt ist.9. A semiconductor circuit arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the current control device is designed so that the start of the predetermined period (t 1 ) during which the circuit current (i) from the standby current (i 1 ) to the operating current ( 12th ) is increased, is a time synchronized with the operating cycle (t 2 , t 3 , CLK) of the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ). 10. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionelle Schaltungsblock (112, 140, 150) ein Datencachespeicher (112), eine Arithmetik-Logik-Einheit (140) oder eine Registerdatei (150) ist.10. A semiconductor circuit arrangement according to one of claims 6 to 9, characterized in that the functional circuit block ( 112 , 140 , 150 ) is a data cache memory ( 112 ), an arithmetic logic unit ( 140 ) or a register file ( 150 ). 11. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befehlsde­ kodiereinrichtung (120, 130) die Betriebsbeginn-Ankün­ digungssignale (131, 132, 133) mindestens ein Stadium vor einem Betriebsstadium der funktionellen Schaltungs­ blöcke (112, 140, 150) erzeugt.11. A semiconductor circuit arrangement according to one of claims 6 to 10, characterized in that the command decoding device ( 120 , 130 ) the start of operation announcement signals ( 131 , 132 , 133 ) at least one stage before an operating stage of the functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ). 12. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsteuer­ signalgenerator (570) die Stromsteuereinrichtung so ansteuert, daß der Schaltungsstrom (i) mit einer vor­ gegebenen Änderungsgeschwindigkeit auf den Betriebs­ strom (i2) erhöht wird.12. Semiconductor circuit arrangement according to one of claims 6 to 11, characterized in that the current control signal generator ( 570 ) controls the current control device so that the circuit current (i) with a given rate of change to the operating current (i 2 ) is increased. 13. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere funktionelle Schaltungsblöcke (112, 140, 150) eine Stromversorgungsleitungsinduktivität L, ein zulässiges Stromversorgungsrauschen Vn und eine Schaltungsstrom­ änderung Δi aufweisen und die Zeitdauer t vor dem Betriebsbeginn des betreffenden funktionellen Schaltungsblocks (112, 140, 150) der Beziehung
entspricht.
13. Semiconductor circuit arrangement according to one of claims 6 to 12, characterized in that one or more functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) have a power supply line inductance L, a permissible power supply noise V n and a circuit current change Δi and the period t before the start of operation of the relevant functional circuit blocks ( 112 , 140 , 150 ) of the relationship
corresponds.
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