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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Anordnungen, im
Besonderen auf die Steuerung der Taktgeschwindigkeit in einer digitalen
Anordnung, die auf Grundlage der verfügbaren Versorgungsspannung
veränderbar
ist.
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Digitale
Anordnungen verwenden Takte, um den Betrieb von sequentiellen und
Signale speichernden digitalen Schaltungen und den Informationstransfer über Datenbusse
der digitalen Anordnung zu steuern oder zu takten. Die Geschwindigkeit, mit
der die digitalen Schaltungen zuverlässig arbeiten, ist von der
Versorgungsspannung für
diese digitalen Schaltungen abhängig.
Höhere
Betriebsspannungen ermöglichen
schnellere Taktgeschwindigkeiten zum Betrieb der digitalen Schaltungen.
Es gibt jedoch digitale Anordnungen, die batteriebetrieben sein
können
und mit dem Betrieb sogar fortfahren müssen, wenn sich die Batteriespannung
verringert. Schnellere Taktgeschwindigkeiten bewirken auch, dass
die digitalen Schaltungen mehr Leistung verbrauchen.
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Universal
Serial Bus-(USB) Vorrichtungen werden für viele Anwendungen in digitalen
Anordnungen verwendet. Die universelle Kompatibilität von USB
Geräten
für viele
unterschiedliche Arten von digitalen Vorrichtungen, die in einer
Vielfalt von Anwendungen verwendet werden können. Diese unterschiedlichen
Anwendungen erfordern jedoch einen breiten Bereich von Fähigkeiten
der Betriebsparameter, die von den USB Vorrichtungen erfordert werden, zum
Beispiel den Computerbetrieb bei voller Spannung und Leistung im
Vergleich zu einem Betrieb in abgelegenen Gebieten unter Verwendung
einer Batterieversorgungsspannung. Das Erstere profitiert von hohem
Datendurchsatz (schnellen Taktgeschwindigkeiten) und das Letztere
profitiert von niedriger Betriebsspannung und niedrigem Leistungsverbrauch (langsamen
Taktgeschwindigkeiten).
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EP 0 704 976 offenbart eine
Phase Locked Loop (PLL) Steuerschaltung und ein Verfahren, in denen
eine Versorgungsspannung detektiert wird, und die Betriebsfrequenz
des PLL als Reaktion auf den Wert der detektierten Versorgungsspannung
eingestellt wird.
US 2004/0057324 offenbart
eine integrierte Halbleiterschaltung, die eine steuerbare interne Versorgungsspannung
aufweist.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine flexible USB Schnittstelle
zur Verfügung
zu stellen, die mit unterschiedlichen Betriebsparametern und unter
zuverlässigem
Umschalten von Betriebsparametern betrieben werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
sowohl die oben aufgezeigten Probleme wie auch andere Schwächen und
Mängel
von vorhandenen Technologien dadurch, dass sie eine Vorrichtung, eine
Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung der Taktgeschwindigkeit
basierend auf der Versorgungsspannung einer digitalen Vorrichtung
zur Verfügung stellt,
die den unabhängigen
Ansprüchen
entsprechende Universal Serial Bus (USB) Schnittstellenfähigkeiten
aufweist (nachstehend "USB
Vorrichtung"). Der
Begriff Taktgeschwindigkeit, wie hierin verwendet, bezieht sich
auf die Frequenz eines Oszillators, der verwendet wird, um den Takt
zu erzeugen, wobei die Taktgeschwindigkeit umso höher ist,
je höher
die Frequenz ist.
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Eine
USB Vorrichtung muss mit einer Taktgeschwindigkeit von 48 MHz arbeiten,
um die maximalen Möglichkeiten
der USB Datenübertragung
zu nutzen. Bei dieser Taktgeschwindigkeit ist eine Stromversorgung
von etwa vier (4) Volt oder größer erforderlich.
Es gibt jedoch zahlreiche Anwendungen für eine USB Vorrichtung, bei
denen nur eine geringere Spannungsversorgung und eine eingeschränkte Energiekapazität verfügbar ist,
zum Beispiel die Datenprotokollierung mit niedriger Energie, bei
der die USB Vorrichtung für
lange Zeiträume
von einer Batterie betrieben würde.
Um Energie zu sparen, ist eine geringere Spannung erforderlich und
die USB Vorrichtung muss mit einer Taktgeschwindigkeit von sehr viel
weniger als 48 MHz arbeiten. Wenn diese USB Vorrichtung jedoch auch
mit einem zugrundeliegenden Computer verwendet wird, der ausreichende
verfügbare
Spannung und Leistung aufweist, ist die Fähigkeit, automatisch zwischen
mehrfachen Taktgeschwindigkeiten umzuschalten, zum Beispiel schnell, mittel
und langsam in Abhängigkeit
von der verfügbaren
Spannung und Energie, äußerst vorteilhaft.
Weil USB ein dynamischer Bus ist, kann die USB Vorrichtung jederzeit
entfernt werden, und die USB Vorrichtung muss dazu in der Lage sein,
mit einer langsameren Taktgeschwindigkeit zu laufen, wenn die Versorgungsspannung
reduziert wird.
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Entsprechend
einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann ein Verringerung der Taktgeschwindigkeit von 48 MHz
durch Abschalten eines Phased Locked Loop (PLL) Frequenzmultiplikators
erreicht werden. Wenn dieser PLL Multiplikator abgeschaltet wird wenn
die Spannung abfällt,
zum Beispiel unterhalb vier (4) Volt, kann die USB Vorrichtung fortfahren,
bei zum Beispiel 12 MHz bei dieser niedrigeren Spannung zu arbeiten.
Wenn die USB Vorrichtung zurück in
eine volle Versorgungsspannung gesteckt wird, zum Beispiel in einen
USB Hub, und die Spannung zurück
auf fünf
Volt ansteigt, wird der PLL Multiplikator wieder eingeschaltet,
und ein Flag kann gesetzt werden, um die USB Betriebssoftware darauf
hinzuweisen, dass jetzt ein Taktbetrieb mit der vollen Geschwindigkeit
(48 MHz) für
die USB Vorrichtung verfügbar
ist.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass weitere Taktmultiplikationswerte,
zum Beispiel unter Verwendung eines PLL und/oder einer Vielzahl
von auswählbaren
Taktoszillatoren, durch den Spannungspegel abtastende Schaltungen
gesteuert werden können, so
dass geringere Spannungen zu geringeren Taktgeschwindigkeiten führen und
höhere
Spannungen zu höheren
Taktgeschwindigkeiten führen.
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Ein
technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine USB
Vorrichtung innerhalb ihrer Taktfrequenz- und Spannungsgrenzen läuft.
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Ein
weiterer technischer Vorteil ist der zuverlässige und ununterbrochene Betrieb
der USB Vorrichtung über
einen breiten Bereich von Betriebsspannungen.
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Weitere
technische Vorteile sollten einer Person mit gewöhnlichen Fertigkeiten in der
Technik klar sein in Anbetracht dessen, was hierin offenbart worden
ist.
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Offenlegungsschrift und der Vorteile davon kann
dadurch erworben werden, dass man sich auf die in Verbindung mit
den begleitenden Figuren ausgeführte
nachfolgende Beschreibung bezieht, wobei:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer digitalen Anordnung ist, die einen
USB Port zur Verbindung mit einer USB Vorrichtung aufweist; und
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2 ein
schematisches Diagramm einer USB Taktschaltung ist, die entsprechend
einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine durch die Versorgungsspannung gesteuerte Taktgeschwindigkeit
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung kann für
verschiedene Änderungen
und alternative Ausführungsformen
empfänglich
sein. Bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden auf dem Weg von Beispielen in
den Figuren gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben. Es
sollte jedoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, dass
die hierin ausgeführte
Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen
die vorliegende Erfindung auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen
einschränkt.
Sich jetzt auf die Zeichnungen beziehend, werden die Details von
beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Gleiche
Elemente in den Figuren werden durch gleiche Ziffern dargestellt, und ähnliche
Elemente werden durch gleiche Ziffern mit unterschiedlichen nachgestellten
Kleinbuchstaben dargestellt.
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Der
Begriff Taktgeschwindigkeit, wie er hierin verwendet wird, bezieht
sich auf die Frequenz eines Oszillators, der verwendet wird, um
den Takt zu erzeugen, wobei die Taktgeschwindigkeit umso höher ist,
je höher
die Frequenz ist.
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Sich
auf 1 beziehend ist dort ein schematisches Blockdiagramm
einer digitalen Anordnung beschrieben, die einen USB Port zur Verbindung
mit einer USB Vorrichtung aufweist. Die digitale Anordnung, im Allgemeinen
bezeichnet mit der Ziffer 100, umfasst eine digitale Vorrichtung 102,
ein USB Modul und eine Takteinheit 104 und einen USB Sender-Empfänger 106,
die mit einem USB Bus 108 verbunden sind. Die digitale
Vorrichtung 102 kann zum Beispiel, aber nicht darauf eingeschränkt, ein
digitaler Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, ein
digitaler Signalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte
Schaltung (Application Specific Integrated Circuit – ASIC),
ein programmierbares Logikarray (PLA) und Ähnliches sein. Das USB Modul
und die Takteinheit 104 weisen eine USB Takteinheit auf,
deren Geschwindigkeit basierend auf der Systemspannung steuerbar
ist.
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Bezug
nehmend auf 2 ist ein schematisches Diagramm
einer USB Taktschaltung beschrieben, bei der die Taktgeschwindigkeit
entsprechend einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung von der Versorgungsspannung gesteuert wird.
Die USB Taktschaltung, im Allgemeinen dargestellt durch die Ziffer 200,
kann Teil des USB Moduls und der Takteinheit 104 (1) sein.
Eine Bandlückenspannungsreferenz 202 wird
in Verbindung mit einem Spannungskomparator 202 verwendet,
der ein Signal 206 zur Verfügung stellt, wenn die Betriebsspannung
(Vdd) 208 bei einer Spannung ist, die hoch genug ist, um
einen PLL 210 einwandfrei zu betreiben. Das Signal 206 ist
angepasst, um ein PLL Armed Bit 212 in einem PLL Steuerregister 214 zu
setzen. Die digitale Anordnung 100 setzt dann ein Start
PLL Bit 216 im PLL Steuerregister 214. Wenn sowohl
das PLL Armed Bit 212 und das Start PLL Bit 216 aktiv
sind, werden ein PLL Timer 218 und der PLL 210 gestartet.
Der PLL Timer 218 zählt
bis zu einem entsprechenden Wert, um Zeit zur Verfügung zu
stellen, in der der PLL 210 stabil wird. Wenn der PLL Timer 218 seine
vorgegebene Zeit erreicht (aktiv wird), wird sein Ausgang auf hoch gesetzt.
Wenn der PLL Timer 218 aktiv ist (Ausgang hoch) und das
PLL Armed Bit 212 und das Start PLL Bit 216 beide
aktiv sind (Ausgänge
hoch), bewirkt ein UND Gatter 226, dass ein Taktmultiplexer 220 vom Ausgang
des Oszillators 222 auf den Ausgang des PLL 210 umschaltet,
der bei einer vielfach höheren Frequenz
des Oszillators 222 läuft.
Ein PLL Running Bit 224 wird ebenfalls gesetzt, wenn der
Multiplexer 220 vom Oszillator 222 auf den PLL 210 umschaltet. Auf
diese Weise wird, wenn der Multiplexer 220 vom Oszillator 222 auf
den PLL 210 umschaltet, der Hochfrequenzausgang des PLL 210 der
Takt der Anordnung.
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Wenn
die Betriebsspannung Vdd 208 damit beginnt, unterhalb die
Referenzspannung der Bandlückenspannungsreferenz 202 zu
fallen, wird das Ausgangssignal 206 des Komparators 204 niedrig. Dies
setzt das PLL Armed Bit 212 zurück und der Taktmultiplexer 220 schaltet
durch die zwei UND Gatter 226 und 228 auf den
Oszillator 222 mit niedrigerer Frequenz als Takt für die Anordnung
um. Wenn das Ausgangssignal 206 des Komparators 204 niedrig wird,
sendet ein Detektor für
abfallende Flanken 230 ein Interruptsignal (PLL IRQ) 232,
das der Betriebssystemsoftware der digitalen Anordnung 100 einen Interrupt
signalisiert. Die Betriebssystemsoftware kann die neue Taktgeschwindigkeit
der USB Anordnung durch Überprüfen des
Zustands der Bits im PLL Steuerregister 214 bestimmen.
Das PLL Armed Bit 212 und das PLL Running Bit 224 werden
beide niedrig sein. Die Software kann dann die entsprechenden Maßnahmen
ergreifen, um die digitale Anordnung für den USB Betrieb mit niedriger
Geschwindigkeit zu rekonfigurieren.
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Weitere
Energieeinsparungen können
durch das Setzen von zusätzlichen
Komparatoren zur Spannungsdetektion auf zusätzliche unterschiedliche Spannungsschwellen
realisiert werden. Jede zusätzliche
Spannungsschwelle kann verwendet werden, um alternative Taktquellen
oder Frequenzteiler zu aktivieren, wie es für die verfügbare Betriebsspannung Vdd
geeignet wäre.