JP2004096073A - Low-power processor - Google Patents

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Asako Sekine
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a semiconductor integrated circuit which is compatible in both high speed and low power consumption. <P>SOLUTION: The semiconductor integrated circuit has a logic circuit 902 and a substrate-bias control circuit 903. After the logic circuit is transferred to a low-power mode in response to the execution of an instruction, the input to the logic circuit is controlled not to be changed, and after the logic circuit is transferred to a high-speed mode in response to an interrupt, the operation starts after the substrate bias voltages applied to the MOSFETs of the logic circuit are stabilized to prescribed levels. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロセッサなどの半導体集積回路装置に関し、特に、プロセッサの動作モードに応じてMOSトランジスタにより構成されるプロセッサ回路の基板バイアスを制御することにより高速動作かつ低消費電力を実現するマイクロプロセッサに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、マイクロプロセッサの実現にはCMOSによる集積回路が広く用いられている。CMOS回路の消費電力にはスイッチング時の充放電によるダイナミックな消費電力とリーク電流によるスタティックな消費電力によるものがある。このうちダイナミックな消費電力は電源電圧Vddの2乗に比例し、大きな消費電力を占めるため、低消費電力化のためには電源電圧を下げることが効果的であり、近年多くのマイクロプロセッサの電源電圧は低下してきている。
【0003】
現在の低消費電力型のマイクロプロセッサには、パワーマネージメント機構を備え、プロセッサに複数の動作モードを設け、それに従って待機時に実行ユニットへのクロックの供給を停止しているものがある。このクロック供給の停止により、不要な実行ユニットにおけるスイッチングによるダイナミックな消費電力を可能な限り削減することができる。しかしながら、リーク電流によるスタティックな消費電力は削減することができず、残存したままである。
【0004】
CMOS回路の動作速度は電源電圧の低下に伴い遅くなるため、動作速度の劣化を防ぐためには電源電圧の低下に連動してMOSトランジスタのしきい値電圧を下げる必要がある。しかし、しきい値電圧を下げると極端にリーク電流が増加するため、電源電圧の低下が進むにつれて、従来はそれほど大きなものではなかったリーク電流によるスタティックな消費電力の増大が顕著になってきた。このため、高速性と低消費電力性の2点を両立したマイクロプロセッサを実現することが問題になっている。
【0005】
MOSトランジスタ回路の動作速度およびリーク電流に関する問題を解決する方法として、基板バイアスを可変設定することによりMOSトランジスタのしきい値電圧を制御する方法が特開平6―53496号公報に示されている。
【0006】
図2により基板バイアスを可変設定するためのデバイス構造を説明する。図2はCMOS構造の回路の断面図を示しており、pウェル(p型基板)201の表面層の一部に、nウェル205が形成されており、pウェル201の表面にはn型のソース・ドレイン領域202、ゲート酸化膜203、およびゲート電極204からなるnMOSトランジスタが形成され、nウェル205の表面にはp型のソース・ドレイン領域206、ゲート酸化膜207、およびゲート電極208からなるpMOSトランジスタが形成されている。
【0007】
通常pMOSトランジスタとnMOSトランジスタのソースはそれぞれ電源電圧(以下Vddと称す)と接地電位(以下Vssと称す)に接続され、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタのドレインは出力信号に接続される。基板バイアスを与えるための端子として、pMOSトランジスタのnウェル205にVbp209、nMOSトランジスタのpウェル201にVbn210が設けられている。
【0008】
図2のようなデバイスを用いて、通常はVbp209はVddに、Vbn210はVssに接続するが、回路の非動作時にはこれらの基板バイアスを切り替えてVbp209はより高い電位に、Vbn210はより低い電位に接続することによりMOSトランジスタのしきい値電圧を高くすることができリーク電流を削減できる。
【特許文献1】
特開平6−53496号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
高速性と低消費電力を両立したマイクロプロセッサを実現するためには、プロセッサ回路に対して上記のような基板バイアスの可変制御を行ない、プロセッサの動作時はMOSトランジスタのしきい値電圧を低くして高速性を維持し、待機時はしきい値電圧を高くしてリーク電流を低減する必要がある。しかしながら、プロセッサの基板バイアスを可変制御するためには基板バイアスの切り替え時におけるプロセッサの動作モードの移行、特に待機状態から動作状態への移行時のプロセッサを再起動するタイミングを正確に制御し、プロセッサの誤動作を防止しなければならない。
【0010】
本発明の目的はこのような問題点を解決し、プロセッサ・チップ上において上記基板バイアス制御を実現しプロセッサの各種動作モードに適用することにより、高速な低消費電力プロセッサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明のプロセッサの特徴は、プロセッサ・チップ上にプログラム命令列を実行するプロセッサ主回路と、その基板に印加される基板バイアスの電圧を切り替える基板バイアス切り替え装置と、プロセッサ主回路におけるスタンバイモードに移行する命令の実行を受けて前記バイアスをスタンバイモード用の電圧に切り替えるように前記基板バイアス切り替え装置を制御し、外部からスタンバイ解除の割り込みを受け取るとバイアスを通常モード用の電圧に切り替えるように基板バイアス切り替え装置を制御し、その切り替えたバイアス電圧が安定した後にプロセッサ主回路のスタンバイを解除し動作を再開させる動作モード制御部を備えることである。
【0012】
また、本発明のプロセッサの他の特徴は、プロセッサ・チップの半導体デバイスは3重ウェル構造をしており、プロセッサ主回路は基板バイアス切り替え装置と動作モード制御部とは異なるウェル領域上に形成されることである。
【0013】
また、本発明の他の特徴は、動作モード制御部は、バイアスの切り替え時にプロセッサ主回路の動作を再開させる前にその切り替えたバイアス電圧が安定するまで待機する手段として、バイアスの安定に必要な時間の経過を計測するためのオンチップタイマ、または、バイアスが所定の電圧に安定したことを検知するセンサを備えることである。
【0014】
また、本発明のプロセッサの他の特徴は、プロセッサ・チップの半導体デバイスは3重ウェル構造をしており、複数の機能モジュールに分割され、それらがそれぞれ異なるウェル領域上に形成されているプロセッサ主回路と、各機能モジュールの基板に印加される基板バイアスを切り替える基板バイアス切り替え装置と、プロセッサ主回路における一つ又は複数の前記機能モジュールをスタンバイにする命令の実行を受けてその機能モジュールの基板バイアスをスタンバイモード用の電圧に切り替えるように基板バイアス切り替え装置を制御し、外部またはプロセッサ主回路からその機能モジュールのスタンバイ解除の信号を受け取るとバイアスを通常モード用の電圧に切り替えるように基板バイアス切り替え装置を制御し、その切り替えたバイアス電圧が安定した後にプロセッサ主回路に機能モジュールのスタンバイが解除されたことを通知する動作モード制御部を備えることである。
【0015】
また、本発明のプロセッサは、プロセッサ主回路の動作速度を動的に切り替える手段と、プロセッサ主回路における動作周波数変更する命令の実行を受けて基板バイアス切り替え装置をプロセッサ主回路または機能モジュールの基板バイアスをその動作周波数に適した電圧に切り替えるように制御し、その切り替えたバイアス電圧が安定した後に前記プロセッサ主回路に動作速度の切り替えが完了したことを通知する動作モード制御部を備えることである。
【0016】
更に、本発明のプロセッサの特徴は、基板バイアス切り替え装置は内部で基板バイアスの電圧を発生する基板バイアス発生回路により構成されることである。
【0017】
本発明はまた装置の低消費電力化に寄与する制御方法を提案するものである。すなわち、しきい値の低いトランジスタは高速だが、ソースドレイン間のリーク電流が大きく消費電力が増大するため、これを防止することが重要である。
【0018】
このための構成は、半導体基板上に構成されたトランジスタを有しクロック信号に基づいて動作する複数の要素回路ブロックを有する半導体集積回路装置の消費電力を制御する制御方法であって、要素回路ブロックの全てがクロックに基づいて動作する第1のモードと、要素回路ブロックの少なくとも一つへのクロック信号の供給を停止する第2のモードと、要素回路ブロックの全てへのクロック信号の供給を停止するとともに半導体基板上に構成されたトランジスタの少なくとも一部の基板バイアスを制御してトランジスタのしきい値を上げる第3のモードとを切り換えて用いることを特徴とする。
【0019】
主回路は例えば、CPU等を含むプロセッサである。第1のモードは主回路が通常の動作(演算、記憶など)を行っているモードである。
【0020】
第2のモードはプロセッサの一部分へのクロックが停止されている状態であり、例えばスリープモード、ディープスリープモード等と呼ばれる。クロックを停止する範囲を選択することにより、必要な機能のみ維持しながら、低消費電力を図ることができる。
【0021】
第3のモードはプロセッサの回路に対して基板バイアスを制御して、これを構成するトランジスタのしきい値を上げ、サブスレッショルドリーク電流による消費電力を低減するモードであり、例えばスタンバイモードやハードウエアスタンバイモードと称する。スタンバイモードは割り込み制御により通常状態に復帰できるが、ハードウエアスタンバイモードではリセットによらなければ復帰ができない。第3のモードでは主回路の機能は停止している。
【0022】
回路全体の構成としては、要素回路ブロックは第1の回路ブロックに含まれ、クロック信号は第2の回路ブロックに含まれる発振回路により形成され、第2の回路ブロックから第1の回路ブロックにクロック信号、及び、第1の回路ブロックで処理されるべき情報信号が入力される。第2の回路ブロックにはその他、入出力回路や基板バイアスを制御する制御回路が含まれる。通常は第2の回路ブロックは主回路を含む第1の回路ブロックほど高速の動作を要求されない。そこで、第2の回路ブロックを構成するトランジスタは、第1の回路ブロックを構成するトランジスタよりも、しきい値が大きく、動作電圧も高くすることが望ましい。また、第1の回路ブロックの主回路を構成するトランジスタは他の回路とは別個のウェル上に形成されることで他の回路の影響を低減することができる。
【0023】
第1と第2の回路ブロックの動作電圧が異なる場合には、両者の間にはレベル変換回路が必要となる。例えば、第1の回路ブロックにレベルダウン回路を設け、第2の回路ブロックにはレベルアップ回路を設けて、信号レベルの変換を行う。
【0024】
本発明では、モードの切り替えにより、基板バイアス電圧を動的に切り換えているために、信頼性の確保のためにはその動作シーケンスが重要である。
【0025】
第1または第2のモードから第3のモードに切り換える際には、第2の回路ブロックから第1の回路ブロックに入力されるクロック信号や、第1の回路ブロックで処理されるために第1の回路ブロックに入力される情報信号をまず停止し、次に、半導体基板上に構成されたトランジスタの少なくとも一部の基板バイアスを制御してトランジスタのしきい値を上げる。これにより、第1の回路ブロックの動作が不安定な状態での第1の回路ブロックへの入力を阻止することができ、第1の回路ブロックの誤動作を防ぐことができる。
【0026】
この動作のために、第1の回路ブロックへの信号入力を停止し、タイマー等により所定時間(例えば60マイクロ秒程度)待機した後、基板バイアスを制御するなどの構成を採用することができる。待機するためのタイマーは第1の回路ブロックの外に配置し、例えば第2の回路ブロックの中、あるいは、装置外部に配置する。
【0027】
また、第3のモード(スタンバイモード)から第1のモードに切り換える際には、半導体基板上に構成されたトランジスタの少なくとも一部の基板バイアスを制御してトランジスタのしきい値を下げ、次に、第2の回路ブロックから第1の回路ブロックに入力される上記クロック信号や第1の回路ブロックで処理されるべき情報信号の入力を開始する。すなわち、第1の回路ブロックの誤動作を防止するために、第1の回路ブロックの基板電圧が安定してから信号の入力を開始する。
【0028】
このために、第3のモードから第1のモードに切り換える際には、第1の回路ブロックの基板バイアスを制御してトランジスタのしきい値を下げ、タイマーにより所定時間待機して、動作が安定した後、第1の回路ブロックに入力されるクロック信号その他の信号の入力を開始する。
【0029】
別の方法としては、トランジスタのしきい値の状態を電圧モニタなどで確認した後、第1の回路ブロックへの信号入力を開始する。あるいは、基板電圧を制御する基板バイアス発生回路の状態に基づいて、基板バイアス発生回路から出力されるスタンバイ解除を知らせる信号に従って、第1の回路ブロックに入力されるクロック信号その他の信号の入力を開始する。
【0030】
第1のブロックに対する情報信号、クロック信号の停止の方法としては、第2の回路ブロックに設けた出力固定回路(レベルホールド回路)によって、信号レベルを固定することが考えられる。第1のモード時には信号は出力固定回路を経由してレベルダウン回路に入力されるが、第3のモードではレベルダウン回路への入力が固定されることになる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【0032】
図1は本発明の第1の実施例を実現するためのプロセッサ・チップの構成例を示すブロック図である。図1において、プロセッサ・チップ101はCMOS構造の回路を持つLSIチップであり、プロセッサ主回路102、動作モード制御部103、基板バイアス切り替え装置104を含む。基板バイアス切り替え装置104には、基板バイアスの通常モードにおける電圧VddおよびVssとスタンバイモードにおける電圧VddbおよびVssbが信号110から入力されている。基板バイアス切り替え装置104は動作モード制御部の出力する信号107に従って、プロセッサ主回路102を構成するpMOSトランジスタの基板バイアスとしてVddかVddbのどちらかを選択して信号Vbp111に出力し、nMOSトランジスタの基板バイアスとしてVssまたはVssbのどちらかを選択して信号Vbn112に出力する。基板バイアス選択用の電圧値は例えばVdd=1.5V、Vddb=3.0V、Vss=0.0V、Vssb=−1.5Vである。
【0033】
なお、後に述べるようにプロセッサ主回路102の形成されるウェル302は基板バイアス切り替え装置104や動作モード制御部が形成されるウェルとは別個独立に形成されている。
【0034】
図3はプロセッサ・チップ101のデバイス構造を示す断面図である。図3が図2と異なるのはn型基板301にpウェル302が形成され、その表面相の一部にnウェル205が形成されている、すなわち3重ウェル構造のデバイスになっている点である。pウェル302の表面にnMOSトランジスタが、nウェル205の表面にpMOSトランジスタが形成され、CMOS回路を構成されている。また、基板バイアスを与えるための端子として、pMOSトランジスタのnウェル205にVbp209、nMOSトランジスタのpウェル302にVbn210が設けられている点は図2と同様である。この実施例ではプロセッサ主回路102は動作モード制御部103と基板バイアス切り替え装置104とは異なるpウェル302内に形成される。これにより、基板バイアス制御の影響はプロセッサ主回路102のみに及び、動作モード制御部103と基板バイアス切り替え装置104はその影響を避けることができる。
【0035】
図4で本実施例におけるプロセッサ・チップ101の動作について説明する。プロセッサ主回路102の動作モードには通常の命令実行を行う通常モードと命令実行を行わないスタンバイモードがある。図4は、プロセッサ主回路102の動作モードが通常モードからスタンバイモードへ遷移し、そしてスタンバイモードから通常モードへと遷移する場合のプロセッサ・チップ101上における処理を示したフローチャートである。
【0036】
最初にプロセッサ主回路102が通常モードで動作している。この時基板バイアス切り替え装置104は基板バイアスVbp111とVbn112にそれぞれVddとVssを選択している。この例における通常モードの基板バイアスの電圧値はVbp=1.5V、Vbn=0Vである(ステップ401)。
【0037】
プロセッサ主回路102は、スリープ命令を実行すると信号105に「スタンバイ要求」を出力し動作モード制御部103に伝えた後、命令実行動作を停止しスタンバイモードに移行する(ステップ402)。
【0038】
動作モード制御部103はプロセッサ主回路からこの信号105を受け取るとプロセッサ主回路102の基板バイアスをスタンバイモード用の電圧に切り替えるために信号107を出力する。基板バイアス切り替え装置104はこの信号107を受けて基板バイアスVbp111とVbn112にそれぞれVddbとVssbを入力電圧110から選択して出力する(ステップ403、404)。この例ではスタンバイモードの基板バイアスの電圧値はVbp=3.0V、Vbn=−1.5Vである。
【0039】
動作モード制御部103は、プロセッサ主回路102がスタンバイ状態にあるときに、外部から信号108に「スタンバイ解除割り込み」がアサートされたことを検出すると(ステップ405)、プロセッサ主回路102の基板バイアスを通常モード用の電圧に切り替えるために信号107を出力し、基板バイアス切り替え装置104はこの信号107を受けて、基板バイアスVbp111とVbn112をそれぞれVdd(1.5V)とVss(0.0V)に切り替える(ステップ406)。
【0040】
基板バイアスの切り替え後、そのバイアス電圧が安定するまでにはいくらかの時間を必要とするため、すぐにプロセッサ主回路102の動作を再開させると誤動作する可能性がある。それを避けるため動作モード制御部103はプロセッサ主回路102の動作モードを切り替える前に、オンチップタイマ109に切り替えた基板バイアス電圧の安定に必要な十分な時間を設定してスタートさせ(ステップ407)、タイムアウトするまで待つ(ステップ408)。そしてタイムアウトした後に、動作モード制御部103は「スタンバイ解除」を信号106に出力し、プロセッサ主回路102に伝える。プロセッサ主回路102はこの信号106を受けて、通常モードに移行し命令実行動作を再開する(ステップ409)。
【0041】
以上のようにして、プロセッサ主回路102の基板バイアスVbp111およびVbn112を制御して、動作時にはプロセッサ主回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を低くして高速動作に対応させ、スタンバイ時にはしきい値電圧を高くしてリーク電流を削減することができる。
【0042】
図5は本発明の第2の実施例におけるプロセッサ・チップの構成を示すブロック図である。この実施例では、動作モード制御部103はプロセッサ主回路102の基板に印加されるバイアス電圧を検知するセンサ501を備えている。プロセッサ主回路102の動作モードが通常モードからスタンバイモードへ遷移するときは、前記第1の実施例における処理手順と同じである。プロセッサ主回路102の動作モードがスタンバイモードから通常モードへ遷移するときは前記第1の実施例と同様に動作モード制御部103は基板バイアス切り替え装置104を制御して基板バイアスを通常モードの電圧に切り替えた後、センサ501が切り替えた基板バイアスの電圧が所定の値、すなわち本実施例では、Vbp=1.5V、Vbn=0.0Vに安定したことを信号502に出力するまで待つ。センサ501が基板バイアスの安定を信号502に出力すると動作モード制御部103は信号106に「スタンバイ解除」を出力し、プロセッサ主回路102の動作を再開させる。
【0043】
図6は本発明の第3の実施例におけるプロセッサ・チップの構成を示すブロック図である。プロセッサ・チップ601の基本デバイス構造としては図3に示した3重ウェル構造を考える。図6のプロセッサ・チップ601においてプロセッサ主回路はCPU604、モジュールA606、モジュールB608のように複数の機能モジュールから構成される。各機能モジュールはそれぞれ異なるウェル領域上に分離して存在し、他の機能モジュールの基板バイアス制御の影響を受けない。機能モジュールは、CPU、FPU、キャッシュ、あるいは演算器等のより小さい単位のものを含む。基板バイアス切り替え装置605、607、609は各機能モジュール604、606、608に対応してそれぞれ設けられており、対応する機能モジュールの基板バイアスを前記実施例の場合と同様に切り替えることができる。命令の実行は機能モジュールの一つであるCPU604を中心に行なわれ、実行に不要な機能モジュールをスタンバイにする命令を実行すると動作モード制御部602に機能モジュールのスタンバイが伝えられる。
【0044】
本実施例におけるプロセッサ・チップ601の動作について次に説明する。最初に全機能モジュールが通常モードで動作しているものとする。CPU604はモジュールAをスタンバイにする命令を実行すると、このスタンバイ要求を信号610に出力し、以後モジュールA606のスタンバイが解除されるまでこのモジュールの使用が不可能になる。動作モード制御部602はこの信号610を受けて、基板バイアス切り替え装置607に信号612を出力し、モジュールA606の基板バイアスをスタンバイモード用の電圧に切り替える。モジュールA606がスタンバイ状態にあるときに動作モード制御部602はCPU604の出力信号610、あるいはプロセッサ・チップ601の外部の信号613からモジュールA606のスタンバイ解除の信号を受け取ると信号612を基板バイアス切り替え装置607に出力し、モジュールAの基板バイアスを通常モード用の電圧に切り替える。そして動作モード制御部602は本発明第1の実施例と同様にオンチップタイマ603を用いて切り替えた基板バイアスの安定を待ち、安定後、CPU604に信号611を通してモジュールAのスタンバイが解除されたことを通知する。CPU604はこの信号611を受け取るとモジュールAを使用した命令の実行が可能になる。
【0045】
モジュールB608やその他の機能モジュールのスタンバイ制御についても同様である。また、CPU604自身もスタンバイ制御の対象である。この場合、CPU604はスタンバイモードに移行すると全ての命令実行を停止し、外部信号613にCPU604のスタンバイ解除の信号がアサートされると動作モード制御部602はCPU604の基板バイアスの切り替えが完了した後信号611にCPU604のスタンバイ解除をアサートし、CPU604の命令実行を再開させる点を除いては、前記モジュールA606の場合と同様に制御される。
【0046】
本実施例における機能モジュール単位のスタンバイ制御により、プロセッサの動作時に不要な機能モジュールのリーク電流を削減することができる。
【0047】
図7は本発明の第4の実施例におけるプロセッサ・チップの構成を示すブロック図である。第1の実施例と異なる点は外部から基板バイアス切り替え装置104に供給される電圧701の種類が増えており、基板バイアス切り替え装置104はそれらの中から適当なものを基板バイアスとして選択し、プロセッサ主回路102に印加することができることである。本実施例では、プロセッサ主回路102の動作速度、すなわち動作周波数は命令により動的に変更する手段を備えており、プロセッサ主回路102の動作モードには高速モードと低速モードがあるものとする。本実施例では、高速モードに対応した基板バイアスとしてVdd(pMOS用)とVss(nMOS用)、低速モードに対応した基板バイアスとしてVddb2(pMOS用)とVssb2(nMOS用)、スタンバイモードに対応した基板バイアスとしてVddb1(pMOS用)とVssb1(nMOS用)を選択する。
【0048】
次に本実施例におけるプロセッサ・チップ101の動作を説明する。ここで、プロセッサ主回路102の動作モードを高速モードから低速モードに切り替える場合を考える。プロセッサ主回路102が高速モードで動作中、基板バイアス切り替え装置104はプロセッサ主回路の基板バイアスとしてVbp111にVddを、Vbn112にVssを選択している。プロセッサ主回路102は、低速モードへ移行する命令を実行するとその要求を信号105に出力し、命令実行動作を中断する。プロセッサ主回路102に供給されるクロックはこの低速モードへ移行する命令の実行により低周波数に切り替わる。動作モード制御部103は信号105を受けてプロセッサ主回路102の基板バイアスを低速モード用の電圧に切り替えるために信号107に出力する。基板バイアス切り替え装置104はこの信号107を受けて基板バイアスVbp111とVbn112をそれぞれVddb2とVssb2に切り替える。動作モード制御部103は上記実施例と同様にオンチップタイマ109を使用して、切り替えた基板バイアスの安定を待ち、プロセッサ主回路102に低速モードへ移行が完了したことを信号106を通して通知する。プロセッサ主回路102はこの信号106を受けて中断していた命令実行動作を低速モードで再開する。
【0049】
本実施例における低速モードから高速モードへの切り替え、高速モードまたは低速モードからスタンバイモードへの切り替え、またはスタンバイモードから高速モードあるいは低速モードへの切り替え時における動作も上記と同様であるので詳細は省略する。本実施例では動作速度をさらに細分し、それに対応した基板バイアス制御を行なうことも可能である。さらに、第3の実施例におけるように、プロセッサ主回路102を機能モジュール単位にデバイスの3重ウェル構造を用いて分離し、各機能モジュール別にその動作周波数の切り替えと連動して基板バイアスを制御することも可能である。
【0050】
本実施例のように、プロセッサの動作周波数に適した基板バイアス制御を行なうことにより、低速な動作モードにおけるリーク電流の削減が可能である。さらに、この低速モードにおいてはCMOS回路のpMOSとnMOSの両方のトランジスタが同時に導通してしまう入力電圧の範囲が高速な動作モードの時より狭くなるためスイッチング時の貫通電流を削減する効果も得られる。
【0051】
図8は本発明の第5の実施例におけるプロセッサ・チップの構成を示すブロック図である。この実施例が前記第1の実施例と異なるのは前記基板バイアス切り替え装置が基板バイアス発生回路801により構成されていることである。基板バイアス発生回路801は動作モード制御部103の出力信号802によって制御され、内部で基板バイアスの電圧を発生しVbp111とVbn112に出力する。動作モード制御部103の制御のもとでプロセッサ主回路102の動作モードに対応して発生する基板バイアスVbp111とVbn112の電圧値は第1の実施例と同様の値である。プロセッサ主回路102および動作モード制御部103の動作は第1の実施例と同様であるので詳細は省略する。また、本実施例と同様に第2、第3および第4の実施例における基板バイアス切り替え装置をこの基板バイアス発生回路801で構成することにより、プロセッサ・チップ内部で基板バイアスを発生させ、動作モードに応じて切り替えることができる。
【0052】
以上のようにこれらの実施例によれば、タイマまたはセンサを用いて待機状態から動作状態への移行時のプロセッサを再起動するタイミングを正確に制御するので、プロセッサの動作モードに応じた最適な基板バイアス制御が可能になる。それにより、プロセッサの動作モードが通常モードにおいて高速性を維持したまま、スタンバイモードにおいてリーク電流を削減できる。また、機能モジュール別の動作モードに応じて基板バイアス制御を行なうことにより、プロセッサが動作中であっても実行に不要な機能モジュールのリーク電流の削減が可能である。さらに、プロセッサの動作周波数に適した基板バイアス制御を行なうことにより、低速モードにおけるリーク電流の削減に加え、スイッチング時の貫通電流を削減する効果も得られる。
【0053】
その結果、消費電力の削減を効果的に実現でき、高速性と低電力性を兼ね備えたマイクロプロセッサを提供することができる。
【0054】
以下、マイコンの実施例として、具体的に基板バイアスを制御する動作モードに関して説明する。マイコンは、1.8Vと3.3Vの2電源を有し、1.8Vのみ基板バイアス制御を行うものとする。1.8Vを供給する回路は比較的低い閾値(例えばVth<0.4V程度)のMOSトランジスタで構成するのが望ましい。
【0055】
図9にマイコンの動作モードの一例を示す。動作モードとしては、通常に動作している通常動作モード982、およびリセットモード981がある。低消費電力で動作するモードとしては、スリープ983、ディープスリープ984、スタンバイ985、ハードウエアスタンバイ986、RTC(リアルタイムクロック)電池バックアップモードがある。また、テストモードとしては、IDDQ測定がある。
【0056】
通常動作982の時には、高速動作が必要なので、基板バイアスの制御は行わない。リセット981の時は、全ての機能をリセットする必要があるので、基板バイアスの制御は行わない。低消費電力モードにおいては、低消費電力モードからの復帰時間が短いスリープ983、ディープスリープ984では、基板バイアスの制御は行わないが、復帰時間よりも消費電力を小さくすることに重点を置くスタンバイ985、ハードウエアスタンバイ986の場合には、基板バイアス制御を行う。RTC電池バックアップモードは、3.3Vで動作するRTC回路の電源のみを供給するモードである。このモードへは、低消費電力モードから遷移するので、基板バイアス制御を行なう。また、IDDQの測定は、スタンバイ電流を測定して、トランジスタのショートや不良による貫通電流を測定するモードであるから、この場合には必ず基板バイアスを制御して、チップのリーク電力を小さくして、不良を発見しやすくする必要がある。
【0057】
図10で、低消費電力の動作モードを説明する前に、プロセッサ主回路902の内部ブロックの構成に関して説明する。この図は、プロセッサ主回路の主な構成ブロックの一例である。演算回路としては、CPU(中央演算処理装置)971、FPU(浮動小数点演算ユニット)972がある。また、チップに内蔵するメモリであるキャッシュ973、外部メモリとのインタフェースを行うBSC(バス制御部)974、DMA(ダイレクトメモリアクセス)を行うDMAC(DMA制御部)975、シリアルポートを制御するSCI(シリアル制御部)976、割り込み入力を制御するINTC(割り込み制御部)977、クロックを制御するCPG(クロック制御部)978等がある。
【0058】
図11で、低消費電力モードであるスリープ983、ディープスリープ984、スタンバイ985に関して説明する。
【0059】
スリープ983では、CPU971、FPU972、キャッシュ973等の演算装置のクロックのみが止まっている状態で、かつ基板バイアス制御をしていないので、消費電力は大幅に減少できないものの、DMAC975によるDMA転送やBSC974によるDRAM(ダイナミックRAM)やSDRAM(シンクロナスダイナミックRAM)の通常リフレッシュ(1024回/16ミリ秒のリフレッシュ)が可能である。CPG978は動作しており、また、基板バイアス制御をしていないので、スリープ983から通常動作モード982への復帰時間は早い。
【0060】
スタンバイ985モードは、全ての動作クロックを止め、なおかつ基板バイアス制御も行なうため、消費電力は極めて少ない。クロックが止っているため、DMA転送はできない。また、DRAMやSDRAMのリフレッシュに関しては、スタンバイ985に入る前に、メモリが自分自身でリフレッシュを行なうセルフリフレッシュモードになるようにBSC974を用いて各メモリの制御信号(RAS信号、CAS信号)を設定しておく必要がある。ただし、スタンバイ985から通常動作982までの復帰時間は、クロックが止っているので、クロック発振の安定待ちや基板バイアス状態からの復帰時間のため長くなってしまう。
【0061】
ディープスリープ984モードは、スリープ983とスタンバイ985の中間の低消費電力モードである。
【0062】
図12にスリープ983とディープスリープ984の動作モジュールの違いを示す。スリープ983時には、動作しているBSC973、DMAC974、SCI975がディープスリープ984では、停止しているため、その分消費電力を削減できている。
【0063】
ただし、ディープスリープ984モードでは、DMA転送ができなくなり、メモリのリフレッシュもセルフリフレッシュになる。ディープスリープ984から通常動作モード982への復帰時間は、スリープモードと同様に早い。
【0064】
このように3種類の低消費電力モードを設けることにより、用途に応じたきめ細かな低消費電力制御を行なうことができる。
【0065】
図13で動作モードの状態遷移図を示し説明する。全ての電源がオフ状態980からRESET#952(または、パワーオンリセット)ピン入力により、プロセッサチップは、リセット状態981に遷移する。RESET#952がネゲートされると通常動作982に遷移する。この状態から低消費動作モードに遷移する。
【0066】
遷移の方法には2通りある。一つは命令による遷移である。これはCPU971がスリープ命令を実行することにより遷移する。スリープ命令実行時にモードレジスタを設定して、スリープ983、ディープスリープ984、スタンバイ985を選択でき、それぞれのモードに遷移できる。各モードから通常動作モード982への復帰は、割り込み958である。
【0067】
もう一つの遷移方法は、HARDSTB#951ピンによる遷移である。このピンがアサートされると、ハードウエアスタンバイ状態986に遷移する。この状態はスタンバイ985と同様に全てのクロックが停止し、基板バイアス制御も行なわれている状態である。
【0068】
このモードで、入出力バッファをハイインピーダンスにすれば、3.3V系の回路も貫通電流の流れるトランジスタがなくなりIDDQの測定が可能になる。
【0069】
また、3.3V系に置かれたRTC回路の入力バッファを固定すれば、RTC回路以外の電源をオフした場合にも、RTC回路の入力信号がフローティング(中間レベル)にならないので、RTC回路の誤動作を防止でき、RTC回路のみ動作させることが可能である。
【0070】
次にハードウエアスタンバイの応用例を説明する。
【0071】
図14にハードウエアスタンバイを適用してプロセッサチップ901の電源904(バッテリ)を交換可能にするプロセッサチップ901の構成と電源制御回路の構成を示す。
【0072】
プロセッサチップ901は1.8Vで動作する1.8V領域回路930と3.3Vで動作する3.3V領域回路931から構成されている。1.8V領域回路930はプロセッサ主回路902と3.3Vから1.8Vにレベル変換するレベルダウン回路905、906から構成されている。3.3V領域の回路931は基板バイアス発生回路903、クロック発振回路908、IO回路909、動作モード制御部913、RTC回路914および1.8Vから3.3Vにレベル変換するレベルアップ回路904、910、3.3Vから1.8Vへの信号を固定する出力固定回路907、911から構成されている。
【0073】
電源系の制御回路としては、電源904、電源監視回路921、表示器922、1.8V系の電圧を生成する電圧生成回路920がある。
【0074】
以下動作を説明する。プロセッサチップ901が、通常動作モード982の時は、基板バイアス発生回路903は、基板バイアスを引かずに通常の基板レベル(例えばPMOSについてはVDD電位、NMOSについてはVSS電位)を保持している。クロック発振回路908はPLL(フェイズロックドループ)等からなり、内部動作用のクロックを生成して、出力固定回路907、レベルダウン回路905を介してプロセッサ主回路902へ送る。IO回路909は、外部からの信号を取り込み、出力固定回路907、レベルダウン回路905を介してプロセッサ主回路902へ送る。また、プロセッサ主回路902からの信号をレベルアップ回路904を介して外部へ信号を出力する。RTC回路914は、3.3Vで動作し、レベルアップ回路910を介して、プロセッサ主回路902から制御信号を受け取り、レベルダウン回路906、出力固定回路911を介して、プロセッサ主回路902に制御信号を送信する。動作モード制御部913は、特に基板バイアス発生回路903の制御を行なう。
【0075】
電源監視回路921は、電源904の電圧レベルを監視する。電圧レベルが所定のレベルより下がる(バッテリが切れている状態を検出)とHARDSTB#951をローレベルにする。同時に表示器922にバッテリ切れのアラームを表示し、利用者に知らせる。電圧レベルが下がった状態でも電圧保持回路923は、所定の期間(数分間から数時間)電圧レベルを保持できる。この期間に利用者は、電源904を交換できる。
【0076】
図15を用いて、以下、電源交換シーケンスに関して、説明する。
(1)HARDSTB#951がローレベルになることにより、動作モードはハードウエアスタンバイ状態986に入る。ここで、動作モード制御部913から1.8V信号固定953を出力し、3.3Vから1.8Vへの信号を固定し、1.8V系のクロックも停止させる。これにより、基板バイアスを引いた時も、1.8V系の信号が動作しないので、基板バイアスを引いている状態(MOSトランジスタのしきい値電圧が高くなり、その動作速度が遅くなっている状態で、基板電位が不安定な状態)での1.8V系の回路の誤動作を防止する。この状態で、基板バイアス生成回路903に基板バイアス制御開始信号955を出力する。
(2)その後、1.8V信号固定953のタイミングに基づいて、基板バイアス生成回路903に基板バイアス制御開始信号955を出力する。信号固定953と基板バイアス制御開始955の間には、実際に信号が固定されて、1.8V領域への信号の供給が停止するまでの時間差が設定されている。この時間差はRTC回路914のRTCクロックに基づいたタイマーで測定することができる。
(3)基板バイアス制御開始信号955を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを引き始める。基板バイアスを引いている期間は、基板バイアス制御中956信号を動作モード制御部913へ返す。
(4)基板バイアスを引いている状態では、プロセッサ主回路902は動作しない。さらに、リーク電流も少ないので、電流の消費量は少ない。これにより、電圧保持回路923の保持時間も長くなる。
(5)この状態で電源904を交換する。
(6)電源交換後は、電源電圧が正常のレベルに戻るので、HARDSTB#951がハイレベルに戻る。
(7)その後、パワーオンリセット回路が動作し、RESET#952が入力される。このリセット入力により、動作モード制御部913から出力している基板バイアス制御開始信号955が解除される。
(8)基板バイアス制御開始信号955の解除を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを動作状態の電位(例えばPMOSについてはVDD電位、NMOSについてはVSS電位)に戻し始める。基板バイアスの回復まで所定の時間が必要であり、基板バイアスを戻し終わると基板バイアス制御中信号956の解除により動作モード制御部913へそれを通知する。
(9)基板バイアス制御中信号956の解除を受けて、動作モード制御部913から出力している1.8V信号固定953が解除され、プロセッサ主回路902等の1.8V系の回路に信号が入力される。
(10)リセット状態981が終了後、通常状態982に入り、プロセッサ主回路902は通常の動作を開始する。
【0077】
以上のようにハードウエアスタンバイによる低消費電力モードを利用して、電源904の交換が可能になる。
【0078】
次にハードウエアスタンバイの第2の応用例を説明する。
【0079】
図16にRTC電源バックアップモードを実現する構成例を示す。RTC回路914は、リアルタイムカウンタと呼ばれ、時計やカレンダの機能を実現するものである。このため、常時動作していないと時計の機能を実現できない。電源904が遮断されてもRTC回路914は動作している必要がある。
【0080】
ここで示す実施例では、RTC電源バックアップモードを実現するために、3.3V領域が通常の3.3V領域991とRTCの3.3Vで動作する領域992に分けている。また、RTCの3.3V領域992では、入力回路に入力固定回路912、および入力固定レベルアップ回路960が付加されており、他の電源(1.8V、通常の3.3Vの電源)が遮断されている状態で、入力信号がフローティングになってもRTCの3.3Vで動作する領域992には、中間レベルの信号が伝達しないようになっていて、誤動作を防止している。
【0081】
電源系の制御回路としては、電源904、電源監視回路921、表示器922、1.8V系の電圧を生成する電圧生成回路920に加えて、バックアップ電池962、ダイオード963、964がある。
【0082】
以下動作を説明する。通常動作モード982の時は、基板バイアス発生回路903は、基板バイアスを引かずに通常の基板レベルを保持している。クロック発振回路908はPLL(フェイズロックドループ)等からなり、内部動作用のクロックを生成して、出力固定回路907、レベルダウン回路905を介してプロセッサ主回路902へ送る。IO回路909は、外部から信号を取り込み、出力固定回路907、レベルダウン回路905を介してプロセッサ主回路902へ送る。また、プロセッサ主回路902からの信号をレベルアップ回路904を介して外部へ信号を出力する。RTC回路914は、3.3Vで動作し、入力固定レベルアップ回路960を介してプロセッサ主回路902から制御信号を受け取り、レベルダウン回路906、出力固定回路911を介して、プロセッサ主回路902に制御信号を送信する。動作モード制御部913は、入力固定回路912を介して、制御信号を受け取り、特に基板バイアス発生回路903の制御を行なう。
【0083】
電源監視回路921は、電源904の電圧レベルを監視する。電圧レベルが所定のレベルより下がる(バッテリが切れている状態を検出)とHARDSTB#951をローレベルにし、RTC3.3V領域992の入力を固定し、RTC回路914の誤動作を防止する。同時に表示器922にバッテリ切れのアラームを表示する。この後、電圧レベルが下がり続けて、3.3Vと1.8V系の電圧はプロセッサチップ901に供給されなくなる。この時バックアップ電池962からダイオード963を介してRTCの3.3V領域にのみ電圧(VDD−RTC、VSS−RTC)が供給され、電源904がなくても、RTC回路914(カレンダ用カウンタ回路)のみ正常に動作する。ダイオード964はRTC回路914以外に電流が流れるのを防止する。
【0084】
図17を用いて、RTC電源バックアップシーケンスに関して、詳細に説明する。
(1)HARDSTB#951がローレベルになることにより、動作モードはハードウエアスタンバイ状態986に入る。ここで、動作モード制御部913から1.8V信号固定953を出力し、3.3Vから1.8Vへの信号を固定し、1.8V系のクロックも停止させる。これにより、基板バイアスを引いた時も、1.8V系の信号が動作しないので、基板バイアスを引いている状態での1.8V系の回路の誤動作を防止する。同時にRTC回路914への入力固定信号954を出力し入力信号を固定する。これにより他の電源が遮断されたときに、RTC回路914に不安定な中間レベルの信号が入るのを防ぐ。
(2)その後、1.8V信号固定953のタイミングに基づいて、基板バイアス生成回路903に基板バイアス制御開始信号955を出力する。信号固定953と基板バイアス制御開始955の間には、実際に信号が固定されて、1.8V領域への信号の供給が停止するまでの時間差が設定されている。この時間差はRTC回路914のRTCクロックに基づいたタイマーで測定することができる。
(3)基板バイアス制御開始信号955を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを引き始める。基板バイアスを引いている期間は、基板バイアス制御中956信号を動作モード制御部913へ返す。
(4)基板バイアスを引いている状態では、プロセッサ主回路902は動作しない。さらに、リーク電流も少ないので、電流の消費量は少ない。
(5)電源904の遮断期間は長くてもよい。また、電源904の交換ができる。
(6)電源904遮断からの復帰後(または電源904交換後)は、電源電圧が正常のレベルに戻るので、HARDSTB#951がハイレベルに戻る。
(7)その後、パワーオンリセット回路が動作し、RESET#952が入力される。このリセット入力により、基板バイアス制御開始信号955が解除される。
(8)基板バイアス制御開始信号955の解除を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを動作状態の電位(例えばPMOSについてはVDD電位、NMOSについてはVSS電位)に戻し始める。基板バイアスの回復まで所定の時間が必要であり、基板バイアスを戻し終わると基板バイアス制御中信号956の解除により動作モード制御部913へそれを通知する。
(9)基板バイアス制御中信号956の解除を受けて、動作モード制御部913から出力している1.8V信号固定953が解除され、プロセッサ主回路902等の1.8V系の回路に信号が入力される。
(10)リセット状態981が終了後、通常状態982に入り、プロセッサ主回路902は通常の動作を開始する。
【0085】
上記シーケンスで、電源904に電源スイッチを設けて、電源オフの期間にRTC回路914のみ動作させることも可能である。
【0086】
以上のようにハードウエアスタンバイを利用して、RTC回路914のみ電池バックアップして動作させることが可能になる。
【0087】
図18に通常のスリープ命令959を使用して、スタンバイ状態985に入り、割り込み信号958で通常状態982に復帰するシーケンスを説明する。
(1)スリープ命令959により、動作モードはスタンバイ状態985に入る。ここで、動作モード制御部913から1.8V信号固定953を出力し、3.3Vから1.8Vへの信号を固定し、1.8V系のクロックも停止させる。これにより、基板バイアスを引いた時の1.8V系の回路の誤動作を防止する。
(2)その後、1.8V信号固定953のタイミングに基づいて、基板バイアス生成回路903に基板バイアス制御開始信号955を出力する。信号固定953と基板バイアス制御開始955の間には、実際に信号が固定されて、1.8V領域への信号の供給が停止するまでの時間差が設定されている。この時間差はRTC回路914のRTCクロックに基づいたタイマーで測定することができる。
(3)基板バイアス制御開始信号955を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを引き始める。基板バイアスを引いている期間は、基板バイアス制御中956信号を動作モード制御部913へ返す。
(4)基板バイアスを引いている状態では、プロセッサ主回路902は動作しない。さらに、リーク電流も少ないので、電流の消費量は少ない。
(5)この状態で、制御信号957(外部ピン)からIO回路909を介して、割り込み信号958を受け付けると、動作モード制御部913は、基板バイアス制御開始信号955を解除する。
(6)基板バイアス制御開始信号955の解除を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを動作状態の電位(例えばPMOSについてはVDD電位、NMOSについてはVSS電位)に戻し始める。基板バイアスの回復まで所定の時間が必要であり、基板バイアスを戻し終わると基板バイアス制御中信号956の解除により動作モード制御部913へそれを通知する。
(7)基板バイアス制御中信号956の解除を受けて、動作モード制御部913は、1.8V信号固定953を解除する。基板バイアス制御中信号が解除されてから1.8V信号固定953を解除することにより、1.8V系の回路が誤動作するのを防いでいる。
(5)プロセッサ主回路902等の1.8V系の回路に信号が入力され、通常状態982に入り、プロセッサ主回路902は通常の動作を開始する。
【0088】
以上により、プロセッサチップ901は低消費電力モードに入り、割り込みにより復帰できる。
【0089】
図19に通常のスリープ命令959を使用して、スタンバイ状態985に入り、RESET#952で通常状態982に復帰するシーケンスを説明する。
(1)スリープ命令959により、動作モードはスタンバイ状態985に入る。ここで、動作モード制御部913から1.8V信号固定953を出力し、3.3Vから1.8Vへの信号を固定し、1.8V系のクロックも停止させる。これにより、基板バイアスを引いた時の1.8V系の回路の誤動作を防止する。
【0090】
その後、1.8V信号固定953により信号固定が完了したことを計測し、基板バイアス生成回路903に基板バイアス制御開始信号955を出力する。
(2)基板バイアス制御開始信号955を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを引き始める。基板バイアスを引いている期間は、基板バイアス制御中956信号を動作モード制御部913へ返す。
(3)基板バイアスを引いている状態では、プロセッサ主回路902は動作しない。さらに、リーク電流も少ないので、電流の消費量は少ない。
(4)この状態で動作モード制御部913は、RESET#952を受け付けて、基板バイアス制御開始信号955を解除する。
(5)基板バイアス制御開始信号955の解除を受けて、基板バイアス発生回路903は1.8V系の基板の基板バイアスを動作状態の電位に戻し始める。基板バイアスを戻し終わると、基板バイアス制御中信号956を用いて動作モード制御部913へ知らせる。
(6)この解除信号を受けて、1.8V信号固定953を解除する。
(7)リセット状態981が終了後、プロセッサ主回路902等の1.8V系の回路に信号が入力され、通常状態982に入り、プロセッサ主回路902は通常の動作を開始する。
【0091】
以上により、プロセッサチップ901は低消費電力モードに入り、リセットにより復帰できる。
【0092】
以上で説明したように、プロセッサチップ901は1.8Vが電源電圧として供給されている部分と、3.3Vが電源電圧として供給されている部分がある。1.8Vが供給されている部分としては、例えばプロセッサ主回路902等がある。この部分は回路規模が大きく、さらに高速に動作させる必要がある部分である。回路規模が大きくかつ高速動作が要求されることからこの部分の消費電力が大きくなる。本実施例では、この消費電力を削減するために電源電圧を下げている。
【0093】
また、電源電圧を低く(例えば1.8V)すると動作速度が遅くなるので、MOSトランジスタのしきい値電圧を低く(例えばVth<0.4V程度)している。さらに本実施例では、この低いしきい値化によるサブスレッショルドリーク電流を削減するために基板電圧制御を行う。
【0094】
一方、3.3Vが電源電圧として供給されている部分は例えばRTC回路914がある。これらの回路は小規模で低速動作であるから、消費電力が小さい。よって、このような回路ブロックは電源電圧を低くする必要がない。例えば、Vth>0.5V程度に設定できる。MOSトランジスタの閾値を低くする必要がないことから、サブスレッショルドリーク電流を削減するため基板制御による電流対策の必要がないという利点がある。
【0095】
本実施例のプロセッサチップ901はこの両者の電源電圧を使い分けている。すなわち、大規模高速動作が必要な部分は低電圧低しきい値MOSを基板制御して使用し、高電圧高しきい値MOSを基板制御無しで使用している。しきい値の異なるMOSトランジスタを作る方法は特に限定しないが、チャネルインプラ量を変えることで実現できる。また、ゲート酸化膜の厚さを変えることでも実現できる。後者の場合、MOSトランジスタの構成を酸化膜厚を厚くすることでしきい値が大きくなるようにすればよい。高いしきい値MOSは高電圧で動作させるので酸化膜厚を厚くする必要があるからである。酸化膜を厚くすることでしきい値を高くできればプロセスを簡略化できる。
【0096】
さらに、入出力回路909は外部信号振幅3.3Vを送受信する必要があることから、高電圧しきい値MOSと同じMOSトランジスタを用いると、プロセスを共通化でき望ましい。
【0097】
【発明の効果】
本発明により、高速性と低消費電力を両立したマイクロプロセッサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるプロセッサ・チップのプロック図である。
【図2】基板バイアス制御に用いる一般的なデバイス構造を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例におけるデバイス構造を示す断面図である。
【図4】本発明の第1の実施例における動作の説明に用いるフローチャートである。
【図5】本発明の第2の実施例におけるプロセッサ・チップのプロック図である。
【図6】本発明の第3の実施例におけるプロセッサ・チップのプロック図である。
【図7】本発明の第4の実施例におけるプロセッサ・チップのプロック図である。
【図8】本発明の第5の実施例におけるプロセッサ・チップのプロック図である。
【図9】本発明の動作モードと基板バイアス制御の関係を説明する図である。
【図10】本発明のプロセッサ主回路の構成を説明する図である。
【図11】本発明の低消費電力モードを説明する図である。
【図12】本発明のスリープとディープスリープを説明する図である。
【図13】本発明の動作モードの遷移図である。
【図14】本発明のプロセッサチップの構成と電源制御回路の第1の構成図である。
【図15】本発明の電源交換のシーケンスを説明する図である。
【図16】本発明のプロセッサチップの構成と電源制御回路の第2の構成図である。
【図17】本発明のRTC電源バックアップのシーケンスを説明する図である。
【図18】本発明の低消費電力モードから割り込みにて復帰するまでのシーケンスを説明する図である。
【図19】本発明の低消費電力モードからリセットにて復帰するまでのシーケンスを説明する図である。
【符号の説明】
101…プロセッサ・チップ、102…プロセッサ主回路、103…動作モード制御部、104…基板バイアス切り替え装置、109…タイマ、501…センサ、801…基板バイアス発生回路。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device such as a processor, and more particularly to a microprocessor that achieves high-speed operation and low power consumption by controlling a substrate bias of a processor circuit including MOS transistors according to an operation mode of the processor.
[0002]
[Prior art]
Currently, CMOS integrated circuits are widely used to implement microprocessors. The power consumption of the CMOS circuit includes dynamic power consumption due to charging and discharging during switching and static power consumption due to leakage current. Of these, the dynamic power consumption is proportional to the square of the power supply voltage Vdd and occupies a large power consumption. Therefore, it is effective to lower the power supply voltage to reduce the power consumption. The voltage is dropping.
[0003]
Some current low power consumption type microprocessors include a power management mechanism, provide the processor with a plurality of operation modes, and stop supplying the clock to the execution unit during standby according to the operation modes. By stopping the clock supply, dynamic power consumption due to unnecessary switching in the execution unit can be reduced as much as possible. However, static power consumption due to leakage current cannot be reduced and remains.
[0004]
Since the operating speed of a CMOS circuit decreases as the power supply voltage decreases, it is necessary to lower the threshold voltage of the MOS transistor in conjunction with the lowering of the power supply voltage in order to prevent the operating speed from deteriorating. However, when the threshold voltage is lowered, the leakage current increases extremely. Therefore, as the power supply voltage decreases, the static power consumption has been remarkably increased by the leakage current which was not so large conventionally. Therefore, there is a problem in realizing a microprocessor that achieves both high speed and low power consumption.
[0005]
As a method for solving the problems relating to the operation speed and the leak current of the MOS transistor circuit, a method of controlling the threshold voltage of the MOS transistor by variably setting the substrate bias is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-53496.
[0006]
A device structure for variably setting the substrate bias will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a circuit having a CMOS structure. An n-well 205 is formed in a part of a surface layer of a p-well (p-type substrate) 201. + An nMOS transistor composed of a source / drain region 202, a gate oxide film 203, and a gate electrode 204 is formed. + A pMOS transistor including a source / drain region 206, a gate oxide film 207, and a gate electrode 208 is formed.
[0007]
Usually, the sources of the pMOS transistor and the nMOS transistor are connected to a power supply voltage (hereinafter, referred to as Vdd) and a ground potential (hereinafter, referred to as Vss), respectively, and the drains of the nMOS transistor and the pMOS transistor are connected to an output signal. As terminals for applying a substrate bias, Vbp 209 is provided in the n-well 205 of the pMOS transistor, and Vbn 210 is provided in the p-well 201 of the nMOS transistor.
[0008]
Using a device as shown in FIG. 2, Vbp 209 is normally connected to Vdd, and Vbn 210 is connected to Vss. When the circuit is not operating, these substrate biases are switched to set Vbp 209 to a higher potential and Vbn 210 to a lower potential. The connection can increase the threshold voltage of the MOS transistor and reduce the leakage current.
[Patent Document 1]
JP-A-6-53496
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In order to realize a microprocessor that achieves both high speed and low power consumption, the above-described variable control of the substrate bias is performed on the processor circuit, and the threshold voltage of the MOS transistor is lowered during the operation of the processor. Therefore, it is necessary to maintain the high-speed operation and increase the threshold voltage during standby to reduce the leak current. However, in order to variably control the substrate bias of the processor, it is necessary to accurately control the transition of the operation mode of the processor at the time of switching the substrate bias, particularly the timing of restarting the processor at the time of transition from the standby state to the operation state. Must be prevented from malfunctioning.
[0010]
An object of the present invention is to provide a high-speed and low-power-consumption processor by solving the above problems and realizing the substrate bias control on a processor chip and applying the substrate bias control to various operation modes of the processor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the processor of the present invention is characterized by a processor main circuit for executing a program instruction sequence on a processor chip, a substrate bias switching device for switching a substrate bias voltage applied to the substrate, and a processor. The substrate bias switching device is controlled so as to switch the bias to the voltage for the standby mode in response to the execution of the instruction to shift to the standby mode in the main circuit. Another object of the present invention is to provide an operation mode control unit that controls the substrate bias switching device so as to switch to the voltage, and releases the standby of the processor main circuit and resumes the operation after the switched bias voltage is stabilized.
[0012]
Another feature of the processor of the present invention is that the semiconductor device of the processor chip has a triple well structure, and the processor main circuit is formed on a well region different from the substrate bias switching device and the operation mode control unit. Is Rukoto.
[0013]
Another feature of the present invention is that the operation mode control unit serves as a means for waiting for the switched bias voltage to stabilize before restarting the operation of the processor main circuit at the time of bias switching, and as a means for stabilizing the bias. An on-chip timer for measuring the passage of time or a sensor for detecting that the bias has stabilized at a predetermined voltage is provided.
[0014]
Another feature of the processor of the present invention is that the semiconductor device of the processor chip has a triple well structure, is divided into a plurality of functional modules, and these are formed on different well regions respectively. A circuit, a substrate bias switching device for switching a substrate bias applied to a substrate of each functional module, and a substrate bias of the functional module in response to execution of an instruction to set one or a plurality of the functional modules in a processor main circuit to standby. Bias switching device is controlled to switch to a voltage for a standby mode, and a substrate bias switching device is configured to switch a bias to a voltage for a normal mode when a standby release signal of the functional module is received from an external or processor main circuit. Control and switch that Bias voltage is to include a operation mode control unit for notifying that the standby function modules in the processor main circuit is released after the stable.
[0015]
Further, the processor of the present invention includes a means for dynamically switching the operation speed of the processor main circuit, and a substrate bias switching device which receives an instruction to change the operating frequency in the processor main circuit and executes the substrate bias of the processor main circuit or the functional module. And an operation mode control unit that controls the processor main circuit to notify that the switching of the operation speed has been completed after the switched bias voltage is stabilized.
[0016]
Further, a feature of the processor of the present invention is that the substrate bias switching device is constituted by a substrate bias generation circuit for internally generating a substrate bias voltage.
[0017]
The present invention also proposes a control method that contributes to low power consumption of the device. That is, although a transistor with a low threshold value operates at high speed, the leakage current between the source and the drain is large and power consumption is increased. Therefore, it is important to prevent this.
[0018]
The configuration for this is a control method for controlling the power consumption of a semiconductor integrated circuit device having a plurality of element circuit blocks having a transistor formed on a semiconductor substrate and operating based on a clock signal. All operate on the basis of the clock, the second mode in which the supply of the clock signal to at least one of the element circuit blocks is stopped, and the supply of the clock signal in all of the element circuit blocks is stopped. In addition, a third mode in which the substrate bias of at least a part of the transistor formed on the semiconductor substrate is controlled to increase the threshold value of the transistor is switched and used.
[0019]
The main circuit is, for example, a processor including a CPU and the like. The first mode is a mode in which the main circuit performs a normal operation (operation, storage, and the like).
[0020]
The second mode is a state where the clock to a part of the processor is stopped, and is called, for example, a sleep mode, a deep sleep mode, or the like. By selecting the range in which the clock is stopped, low power consumption can be achieved while maintaining only necessary functions.
[0021]
The third mode is a mode in which a substrate bias is controlled with respect to a processor circuit, a threshold value of a transistor constituting the same is increased, and power consumption due to a subthreshold leak current is reduced. This is called a standby mode. The standby mode can be returned to the normal state by interrupt control, but the hardware standby mode cannot be recovered without resetting. In the third mode, the function of the main circuit is stopped.
[0022]
As a configuration of the whole circuit, the element circuit block is included in the first circuit block, the clock signal is formed by an oscillation circuit included in the second circuit block, and the clock signal is transmitted from the second circuit block to the first circuit block. A signal and an information signal to be processed in the first circuit block are input. In addition, the second circuit block includes an input / output circuit and a control circuit for controlling the substrate bias. Normally, the second circuit block is not required to operate at a higher speed than the first circuit block including the main circuit. Therefore, it is preferable that the transistors included in the second circuit block have higher threshold voltages and higher operating voltages than the transistors included in the first circuit block. Further, the transistor forming the main circuit of the first circuit block is formed on a well separate from other circuits, so that the influence of other circuits can be reduced.
[0023]
If the operating voltages of the first and second circuit blocks are different, a level conversion circuit is required between them. For example, a level-down circuit is provided in a first circuit block, and a level-up circuit is provided in a second circuit block, to convert a signal level.
[0024]
In the present invention, since the substrate bias voltage is dynamically switched by mode switching, the operation sequence is important for ensuring reliability.
[0025]
When switching from the first or second mode to the third mode, the clock signal input from the second circuit block to the first circuit block or the first signal to be processed by the first circuit block. First, the information signal input to the circuit block is stopped, and then the substrate bias of at least a part of the transistor formed on the semiconductor substrate is controlled to increase the threshold value of the transistor. Accordingly, it is possible to prevent input to the first circuit block when the operation of the first circuit block is unstable, and to prevent malfunction of the first circuit block.
[0026]
For this operation, it is possible to adopt a configuration in which the input of signals to the first circuit block is stopped, a predetermined time (for example, about 60 microseconds) is waited by a timer or the like, and then the substrate bias is controlled. The timer for waiting is arranged outside the first circuit block, for example, inside the second circuit block or outside the device.
[0027]
When switching from the third mode (standby mode) to the first mode, the transistor bias is controlled by controlling the substrate bias of at least a part of the transistor formed on the semiconductor substrate, Then, the input of the clock signal input from the second circuit block to the first circuit block and the information signal to be processed by the first circuit block are started. That is, in order to prevent malfunction of the first circuit block, signal input is started after the substrate voltage of the first circuit block is stabilized.
[0028]
Therefore, when switching from the third mode to the first mode, the threshold value of the transistor is reduced by controlling the substrate bias of the first circuit block, and the operation is stabilized by waiting for a predetermined time by the timer. After that, the input of the clock signal and other signals input to the first circuit block is started.
[0029]
As another method, after the state of the threshold value of the transistor is confirmed by a voltage monitor or the like, signal input to the first circuit block is started. Alternatively, the input of the clock signal and other signals input to the first circuit block is started based on the state of the substrate bias generation circuit that controls the substrate voltage and in accordance with the signal output from the substrate bias generation circuit that indicates the release of standby. I do.
[0030]
As a method of stopping the information signal and the clock signal for the first block, a signal level may be fixed by an output fixing circuit (level hold circuit) provided in the second circuit block. In the first mode, the signal is input to the level down circuit via the output fixing circuit, but in the third mode, the input to the level down circuit is fixed.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a processor chip for realizing the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a processor chip 101 is an LSI chip having a circuit having a CMOS structure, and includes a processor main circuit 102, an operation mode control unit 103, and a substrate bias switching device 104. The substrate bias switching device 104 receives from the signal 110 the voltages Vdd and Vss in the normal mode of the substrate bias and the voltages Vddb and Vssb in the standby mode. The substrate bias switching device 104 selects either Vdd or Vddb as the substrate bias of the pMOS transistor constituting the processor main circuit 102 according to the signal 107 output from the operation mode control unit, and outputs the selected signal to the signal Vbp111. Either Vss or Vssb is selected as a bias and output as a signal Vbn112. The voltage values for selecting the substrate bias are, for example, Vdd = 1.5 V, Vddb = 3.0 V, Vss = 0.0 V, and Vssb = −1.5 V.
[0033]
As will be described later, the well 302 in which the processor main circuit 102 is formed is formed independently of the well in which the substrate bias switching device 104 and the operation mode control unit are formed.
[0034]
FIG. 3 is a sectional view showing the device structure of the processor chip 101. FIG. 3 differs from FIG. 2 in that a p-well 302 is formed in an n-type substrate 301 and an n-well 205 is formed in a part of the surface phase, that is, the device has a triple well structure. is there. An nMOS transistor is formed on the surface of the p-well 302 and a pMOS transistor is formed on the surface of the n-well 205, thereby forming a CMOS circuit. Also, as a terminal for applying a substrate bias, Vbp 209 is provided in the n-well 205 of the pMOS transistor and Vbn 210 is provided in the p-well 302 of the nMOS transistor, as in FIG. In this embodiment, the processor main circuit 102 is formed in a p-well 302 different from the operation mode control unit 103 and the substrate bias switching device 104. As a result, the influence of the substrate bias control affects only the processor main circuit 102, and the operation mode control unit 103 and the substrate bias switching device 104 can avoid the influence.
[0035]
The operation of the processor chip 101 in this embodiment will be described with reference to FIG. The operation modes of the processor main circuit 102 include a normal mode in which normal instructions are executed and a standby mode in which no instructions are executed. FIG. 4 is a flowchart showing processing on the processor chip 101 when the operation mode of the processor main circuit 102 changes from the normal mode to the standby mode, and changes from the standby mode to the normal mode.
[0036]
First, the processor main circuit 102 operates in the normal mode. At this time, the substrate bias switching device 104 selects Vdd and Vss for the substrate biases Vbp111 and Vbn112, respectively. In this example, the voltage values of the substrate bias in the normal mode are Vbp = 1.5 V and Vbn = 0 V (step 401).
[0037]
When executing the sleep command, the processor main circuit 102 outputs a “standby request” to the signal 105 and transmits the signal to the operation mode control unit 103, and then stops the command execution operation and shifts to the standby mode (step 402).
[0038]
When receiving the signal 105 from the processor main circuit, the operation mode control unit 103 outputs a signal 107 to switch the substrate bias of the processor main circuit 102 to the voltage for the standby mode. The substrate bias switching device 104 receives the signal 107, selects Vddb and Vssb from the input voltage 110 and outputs them to the substrate biases Vbp111 and Vbn112 (steps 403 and 404). In this example, the voltage values of the substrate bias in the standby mode are Vbp = 3.0V and Vbn = -1.5V.
[0039]
When the operation mode control unit 103 detects that the “standby release interrupt” is externally asserted to the signal 108 while the processor main circuit 102 is in the standby state (step 405), the operation mode control unit 103 changes the substrate bias of the processor main circuit 102. A signal 107 is output to switch to the voltage for the normal mode, and the substrate bias switching device 104 receives the signal 107 and switches the substrate biases Vbp111 and Vbn112 to Vdd (1.5V) and Vss (0.0V), respectively. (Step 406).
[0040]
After the substrate bias is switched, some time is required until the bias voltage is stabilized. Therefore, if the operation of the processor main circuit 102 is restarted immediately, a malfunction may occur. To avoid this, before switching the operation mode of the processor main circuit 102, the operation mode control unit 103 sets and starts a sufficient time necessary for stabilizing the switched substrate bias voltage in the on-chip timer 109 (step 407). , And waits until timeout (step 408). Then, after the timeout, the operation mode control unit 103 outputs “standby release” to the signal 106 and notifies the signal to the processor main circuit 102. Upon receiving this signal 106, the processor main circuit 102 shifts to the normal mode and resumes the instruction execution operation (step 409).
[0041]
As described above, the substrate biases Vbp111 and Vbn112 of the processor main circuit 102 are controlled to lower the threshold voltage of the MOS transistors constituting the processor main circuit during operation so as to support high-speed operation, and to set the threshold during standby. Leakage current can be reduced by increasing the value voltage.
[0042]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a processor chip according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the operation mode control unit 103 includes a sensor 501 for detecting a bias voltage applied to the substrate of the processor main circuit 102. When the operation mode of the processor main circuit 102 transitions from the normal mode to the standby mode, it is the same as the processing procedure in the first embodiment. When the operation mode of the processor main circuit 102 shifts from the standby mode to the normal mode, the operation mode control unit 103 controls the substrate bias switching device 104 to change the substrate bias to the voltage of the normal mode as in the first embodiment. After the switching, it waits until the signal 502 outputs that the voltage of the substrate bias switched by the sensor 501 has been stabilized to a predetermined value, that is, Vbp = 1.5 V and Vbn = 0.0 V in this embodiment. When the sensor 501 outputs the stability of the substrate bias to the signal 502, the operation mode control unit 103 outputs “standby release” to the signal 106 to restart the operation of the processor main circuit 102.
[0043]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a processor chip according to the third embodiment of the present invention. As a basic device structure of the processor chip 601, the triple well structure shown in FIG. 3 is considered. In the processor chip 601 shown in FIG. 6, the processor main circuit includes a plurality of functional modules such as a CPU 604, a module A 606, and a module B 608. Each functional module is separately provided on a different well region, and is not affected by substrate bias control of other functional modules. The function module includes a smaller unit such as a CPU, an FPU, a cache, or an arithmetic unit. The substrate bias switching devices 605, 607, and 609 are provided corresponding to the respective functional modules 604, 606, and 608, and can switch the substrate bias of the corresponding functional module in the same manner as in the above-described embodiment. The execution of the instruction is performed mainly by the CPU 604, which is one of the functional modules. When the instruction for setting the functional module unnecessary for the execution to the standby mode is executed, the standby of the functional module is transmitted to the operation mode control unit 602.
[0044]
The operation of the processor chip 601 in this embodiment will be described next. First, it is assumed that all functional modules are operating in the normal mode. When the CPU 604 executes the instruction to set the module A to standby, the CPU 604 outputs the standby request to the signal 610, and the module A 606 cannot be used until the standby of the module A 606 is released. The operation mode control unit 602 receives the signal 610 and outputs a signal 612 to the substrate bias switching device 607 to switch the substrate bias of the module A 606 to a voltage for the standby mode. When the operation mode control unit 602 receives the output signal 610 of the CPU 604 or the signal for canceling the standby of the module A 606 from the signal 613 external to the processor chip 601 when the module A 606 is in the standby state, the operation mode control unit 602 changes the signal 612 to the substrate bias switching device 607. To switch the substrate bias of the module A to the voltage for the normal mode. The operation mode control unit 602 waits for stabilization of the switched substrate bias using the on-chip timer 603 in the same manner as in the first embodiment of the present invention, and after the stabilization, the standby of the module A is released via the signal 611 to the CPU 604. Notify. Upon receiving the signal 611, the CPU 604 can execute an instruction using the module A.
[0045]
The same applies to the standby control of the module B608 and other functional modules. The CPU 604 itself is also a target of the standby control. In this case, when the CPU 604 shifts to the standby mode, the CPU 604 stops executing all instructions, and when the signal for canceling the standby of the CPU 604 is asserted to the external signal 613, the operation mode control unit 602 issues a signal after the switching of the substrate bias of the CPU 604 is completed. The control is performed in the same manner as in the case of the module A 606 except that the CPU 604 is asserted to release the standby mode to 611 and the instruction execution of the CPU 604 is resumed.
[0046]
With the standby control for each functional module in the present embodiment, it is possible to reduce unnecessary leak current of the functional module during operation of the processor.
[0047]
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a processor chip according to the fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the number of types of the voltage 701 supplied from the outside to the substrate bias switching device 104 is increased, and the substrate bias switching device 104 selects an appropriate one of them as the substrate bias, and That is, it can be applied to the main circuit 102. In the present embodiment, means for dynamically changing the operation speed of the processor main circuit 102, that is, the operation frequency by an instruction is provided, and the operation mode of the processor main circuit 102 is assumed to have a high-speed mode and a low-speed mode. In this embodiment, Vdd (for pMOS) and Vss (for nMOS) are used as the substrate bias corresponding to the high-speed mode, Vddb2 (for pMOS) and Vssb2 (for nMOS) are used as the substrate bias corresponding to the low-speed mode, and the standby mode is supported. Vddb1 (for pMOS) and Vssb1 (for nMOS) are selected as the substrate bias.
[0048]
Next, the operation of the processor chip 101 in this embodiment will be described. Here, consider a case where the operation mode of the processor main circuit 102 is switched from the high-speed mode to the low-speed mode. While the processor main circuit 102 is operating in the high-speed mode, the substrate bias switching device 104 selects Vdd for Vbp111 and Vss for Vbn112 as the substrate bias of the processor main circuit. When executing the instruction to shift to the low-speed mode, the processor main circuit 102 outputs the request to the signal 105 and interrupts the instruction execution operation. The clock supplied to the processor main circuit 102 is switched to a low frequency by execution of the instruction for shifting to the low-speed mode. The operation mode control unit 103 receives the signal 105 and outputs the signal 107 to switch the substrate bias of the processor main circuit 102 to the low-speed mode voltage. The substrate bias switching device 104 receives the signal 107 and switches the substrate biases Vbp111 and Vbn112 to Vddb2 and Vssb2, respectively. The operation mode control unit 103 waits for the switched substrate bias to stabilize using the on-chip timer 109 in the same manner as in the above embodiment, and notifies the processor main circuit 102 via the signal 106 that the transition to the low-speed mode has been completed. Upon receiving this signal 106, the processor main circuit 102 resumes the interrupted instruction execution operation in the low-speed mode.
[0049]
The operation at the time of switching from the low-speed mode to the high-speed mode, switching from the high-speed mode or the low-speed mode to the standby mode, or switching from the standby mode to the high-speed mode or the low-speed mode in the present embodiment is also the same as described above, so details are omitted. I do. In this embodiment, the operation speed can be further subdivided, and the substrate bias control corresponding thereto can be performed. Further, as in the third embodiment, the processor main circuit 102 is separated for each functional module by using a triple well structure of a device, and the substrate bias is controlled for each functional module in conjunction with switching of its operating frequency. It is also possible.
[0050]
By performing the substrate bias control suitable for the operating frequency of the processor as in the present embodiment, it is possible to reduce the leak current in the low-speed operation mode. Furthermore, in this low-speed mode, the range of the input voltage at which both the pMOS and nMOS transistors of the CMOS circuit conduct simultaneously becomes narrower than in the high-speed operation mode, so that the effect of reducing the through current at the time of switching can be obtained. .
[0051]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a processor chip according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment differs from the first embodiment in that the substrate bias switching device comprises a substrate bias generation circuit 801. The substrate bias generation circuit 801 is controlled by an output signal 802 of the operation mode control unit 103, internally generates a substrate bias voltage, and outputs it to Vbp111 and Vbn112. The voltage values of the substrate biases Vbp111 and Vbn112 generated corresponding to the operation mode of the processor main circuit 102 under the control of the operation mode control unit 103 are the same as those in the first embodiment. The operations of the processor main circuit 102 and the operation mode control unit 103 are the same as those of the first embodiment, and thus the details are omitted. By configuring the substrate bias switching device in the second, third, and fourth embodiments with the substrate bias generation circuit 801 in the same manner as in the present embodiment, a substrate bias is generated inside the processor chip, and the operation mode is changed. Can be switched according to
[0052]
As described above, according to these embodiments, the timing for restarting the processor at the time of transition from the standby state to the operating state is accurately controlled using the timer or the sensor. Substrate bias control becomes possible. As a result, it is possible to reduce the leak current in the standby mode while maintaining the high speed in the normal operation mode of the processor. Further, by performing the substrate bias control according to the operation mode of each functional module, it is possible to reduce the leak current of the functional module which is unnecessary for execution even when the processor is operating. Further, by performing the substrate bias control suitable for the operating frequency of the processor, in addition to the reduction of the leak current in the low-speed mode, the effect of reducing the through current at the time of switching can be obtained.
[0053]
As a result, power consumption can be effectively reduced, and a microprocessor having both high speed and low power can be provided.
[0054]
Hereinafter, an operation mode for controlling the substrate bias will be specifically described as an embodiment of the microcomputer. The microcomputer has two power supplies, 1.8 V and 3.3 V, and controls the substrate bias only at 1.8 V. It is desirable that the circuit for supplying 1.8 V is configured by a MOS transistor having a relatively low threshold value (for example, Vth <0.4 V).
[0055]
FIG. 9 shows an example of the operation mode of the microcomputer. The operation modes include a normal operation mode 982 that operates normally and a reset mode 981. Modes that operate with low power consumption include sleep 983, deep sleep 984, standby 985, hardware standby 986, and RTC (real-time clock) battery backup mode. The test mode includes IDDQ measurement.
[0056]
At the time of the normal operation 982, high-speed operation is required, so that control of the substrate bias is not performed. At the time of the reset 981, all the functions need to be reset, so that the control of the substrate bias is not performed. In the low power consumption mode, in the sleep 983 and the deep sleep 984 in which the return time from the low power consumption mode is short, the substrate bias is not controlled, but the standby 985 which focuses on making the power consumption smaller than the return time. In the case of hardware standby 986, substrate bias control is performed. The RTC battery backup mode is a mode in which only the power of the RTC circuit operating at 3.3 V is supplied. Since the transition to this mode is made from the low power consumption mode, substrate bias control is performed. In addition, the IDDQ measurement is a mode in which the standby current is measured and the through current due to short-circuit or failure of the transistor is measured. In this case, the substrate bias is always controlled to reduce the chip leakage power. It is necessary to make it easy to find defects.
[0057]
Before describing the low power consumption operation mode in FIG. 10, the configuration of the internal block of the processor main circuit 902 will be described. This figure is an example of the main constituent blocks of the processor main circuit. The arithmetic circuits include a CPU (central processing unit) 971 and an FPU (floating point arithmetic unit) 972. Also, a cache 973 which is a memory built in the chip, a BSC (bus control unit) 974 for interfacing with an external memory, a DMAC (DMA control unit) 975 for performing DMA (direct memory access), and an SCI (SCI) for controlling a serial port A serial control unit) 976; an INTC (interrupt control unit) 977 for controlling an interrupt input; and a CPG (clock control unit) 978 for controlling a clock.
[0058]
Referring to FIG. 11, the sleep 983, the deep sleep 984, and the standby 985 which are the low power consumption modes will be described.
[0059]
In the sleep 983, since only the clocks of the arithmetic devices such as the CPU 971, the FPU 972, and the cache 973 are stopped and the substrate bias control is not performed, the power consumption cannot be significantly reduced, but the DMA transfer by the DMAC 975 or the BSC 974 Normal refresh (1024 times / 16 ms refresh) of DRAM (dynamic RAM) or SDRAM (synchronous dynamic RAM) is possible. Since the CPG 978 is operating and the substrate bias control is not performed, the return time from the sleep 983 to the normal operation mode 982 is short.
[0060]
In the standby 985 mode, power consumption is extremely small because all operation clocks are stopped and substrate bias control is also performed. Since the clock is stopped, DMA transfer cannot be performed. Regarding the refresh of the DRAM and the SDRAM, the control signals (RAS signal and CAS signal) of each memory are set using the BSC 974 so that the memory enters a self-refresh mode in which the memory performs a refresh before entering the standby 985. It is necessary to keep. However, the return time from the standby 985 to the normal operation 982 is long because the clock is stopped, and the recovery time from the clock oscillation stabilization and the return from the substrate bias state is long.
[0061]
The deep sleep 984 mode is a low power consumption mode intermediate between sleep 983 and standby 985.
[0062]
FIG. 12 shows the difference between the operation modules of the sleep 983 and the deep sleep 983. In the sleep 983, the operating BSC 973, DMAC 974, and SCI 975 are stopped in the deep sleep 984, so that power consumption can be reduced accordingly.
[0063]
However, in the deep sleep 984 mode, the DMA transfer cannot be performed, and the memory refresh becomes a self refresh. The return time from the deep sleep 984 to the normal operation mode 982 is short as in the sleep mode.
[0064]
By providing the three types of low power consumption modes in this manner, it is possible to perform fine low power consumption control according to the application.
[0065]
A state transition diagram of the operation mode will be described with reference to FIG. The processor chip transitions to the reset state 981 by inputting the RESET # 952 (or power-on reset) pin from the state where all power supplies are off 980. When RESET # 952 is negated, the process makes a transition to normal operation 982. From this state, a transition is made to the low consumption operation mode.
[0066]
There are two transition methods. One is a transition by an instruction. This transition is made when the CPU 971 executes the sleep command. A sleep register 983, a deep sleep 984, and a standby 985 can be selected by setting a mode register when a sleep command is executed, and the mode can be transited to each mode. Returning from each mode to the normal operation mode 982 is an interrupt 958.
[0067]
Another transition method is a transition using the HARDSTB # 951 pin. When this pin is asserted, a transition is made to the hardware standby state 986. In this state, as in the case of the standby 985, all the clocks are stopped, and the substrate bias control is being performed.
[0068]
In this mode, if the input / output buffer is set to high impedance, the 3.3 V circuit does not have a transistor through which a through current flows, and the IDDQ can be measured.
[0069]
Further, if the input buffer of the RTC circuit placed in the 3.3V system is fixed, the input signal of the RTC circuit does not become floating (intermediate level) even when the power supply other than the RTC circuit is turned off. Malfunction can be prevented, and only the RTC circuit can be operated.
[0070]
Next, an application example of the hardware standby will be described.
[0071]
FIG. 14 shows a configuration of the processor chip 901 and a configuration of a power supply control circuit that make the power supply 904 (battery) of the processor chip 901 replaceable by applying hardware standby.
[0072]
The processor chip 901 includes a 1.8 V region circuit 930 operating at 1.8 V and a 3.3 V region circuit 931 operating at 3.3 V. The 1.8 V region circuit 930 includes a processor main circuit 902 and level down circuits 905 and 906 for converting the level from 3.3 V to 1.8 V. The circuit 931 in the 3.3V region includes a substrate bias generation circuit 903, a clock oscillation circuit 908, an IO circuit 909, an operation mode control unit 913, an RTC circuit 914, and level-up circuits 904 and 910 for converting the level from 1.8V to 3.3V. And output fixing circuits 907 and 911 for fixing a signal from 3.3 V to 1.8 V.
[0073]
As a power supply control circuit, there are a power supply 904, a power supply monitoring circuit 921, a display 922, and a voltage generation circuit 920 that generates a 1.8V system voltage.
[0074]
The operation will be described below. When the processor chip 901 is in the normal operation mode 982, the substrate bias generation circuit 903 holds a normal substrate level (for example, a VDD potential for a PMOS and a VSS potential for an NMOS) without subtracting a substrate bias. The clock oscillation circuit 908 is composed of a PLL (Phase Locked Loop) or the like, generates a clock for internal operation, and sends it to the processor main circuit 902 via the output fixing circuit 907 and the level down circuit 905. The IO circuit 909 takes in an external signal and sends it to the processor main circuit 902 via the output fixing circuit 907 and the level down circuit 905. Further, a signal from the processor main circuit 902 is output to the outside via the level up circuit 904. The RTC circuit 914 operates at 3.3 V, receives a control signal from the processor main circuit 902 via the level up circuit 910, and sends a control signal to the processor main circuit 902 via the level down circuit 906 and the output fixing circuit 911. Send The operation mode control unit 913 particularly controls the substrate bias generation circuit 903.
[0075]
The power supply monitoring circuit 921 monitors the voltage level of the power supply 904. When the voltage level falls below a predetermined level (detection of a dead battery state), HARDSTB # 951 is set to a low level. At the same time, an alarm indicating that the battery has run out is displayed on the display 922 to notify the user. The voltage holding circuit 923 can hold the voltage level for a predetermined period (several minutes to several hours) even when the voltage level is lowered. During this period, the user can replace the power supply 904.
[0076]
The power supply replacement sequence will be described below with reference to FIG.
(1) When HARDSTB # 951 goes low, the operation mode enters the hardware standby state 986. Here, the 1.8 V signal fixing 953 is output from the operation mode control unit 913 to fix the signal from 3.3 V to 1.8 V and stop the 1.8 V system clock. As a result, even when the substrate bias is pulled, the 1.8 V system signal does not operate. Therefore, the state in which the substrate bias is pulled (the state in which the threshold voltage of the MOS transistor is increased and the operation speed is reduced) This prevents the 1.8V circuit from malfunctioning when the substrate potential is unstable. In this state, a substrate bias control start signal 955 is output to the substrate bias generation circuit 903.
(2) Thereafter, a substrate bias control start signal 955 is output to the substrate bias generation circuit 903 based on the timing of the 1.8 V signal fixing 953. Between the signal fixing 953 and the substrate bias control start 955, a time difference is set until the signal is actually fixed and the supply of the signal to the 1.8 V region is stopped. This time difference can be measured by a timer based on the RTC clock of the RTC circuit 914.
(3) Upon receiving the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 starts pulling the substrate bias of the 1.8V substrate. While the substrate bias is being pulled, a 956 signal during the substrate bias control is returned to the operation mode control unit 913.
(4) The processor main circuit 902 does not operate while the substrate bias is being pulled. Furthermore, since the leak current is small, the current consumption is small. Accordingly, the holding time of the voltage holding circuit 923 also becomes longer.
(5) The power supply 904 is replaced in this state.
(6) After the power supply is replaced, the power supply voltage returns to the normal level, so that HARDSTB # 951 returns to the high level.
(7) Thereafter, the power-on reset circuit operates, and RESET # 952 is input. With this reset input, the substrate bias control start signal 955 output from the operation mode control unit 913 is released.
(8) In response to the cancellation of the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 changes the substrate bias of the 1.8V system substrate to the operating state potential (for example, VDD potential for PMOS and VSS potential for NMOS). Start returning. A predetermined time is required until the substrate bias is recovered, and when the substrate bias is returned, the operation mode control unit 913 is notified by canceling the substrate bias control signal 956.
(9) In response to the cancellation of the substrate bias control signal 956, the 1.8V signal fixing 953 output from the operation mode control unit 913 is canceled, and the signal is sent to the 1.8V circuit such as the processor main circuit 902. Is entered.
(10) After the reset state 981, the normal state 982 is entered, and the processor main circuit 902 starts a normal operation.
[0077]
As described above, the power supply 904 can be replaced using the low power consumption mode by the hardware standby.
[0078]
Next, a second application example of the hardware standby will be described.
[0079]
FIG. 16 shows a configuration example for realizing the RTC power supply backup mode. The RTC circuit 914 is called a real-time counter, and realizes a clock or calendar function. For this reason, the function of the clock cannot be realized unless it is constantly operating. Even when the power supply 904 is cut off, the RTC circuit 914 needs to operate.
[0080]
In the embodiment shown here, in order to realize the RTC power supply backup mode, the 3.3 V region is divided into a normal 3.3 V region 991 and a region 992 operating at 3.3 V of RTC. In the 3.3V area 992 of the RTC, an input fixed circuit 912 and an input fixed level-up circuit 960 are added to the input circuit, and other power supplies (1.8 V, a normal 3.3 V power supply) are cut off. In this state, even if the input signal becomes floating, an intermediate level signal is not transmitted to the region 992 operating at 3.3 V of the RTC, thereby preventing a malfunction.
[0081]
As a power supply control circuit, there are a backup battery 962 and diodes 963 and 964, in addition to a power supply 904, a power supply monitoring circuit 921, a display 922, and a voltage generation circuit 920 that generates 1.8V system voltage.
[0082]
The operation will be described below. In the normal operation mode 982, the substrate bias generation circuit 903 holds the normal substrate level without subtracting the substrate bias. The clock oscillation circuit 908 is composed of a PLL (Phase Locked Loop) or the like, generates a clock for internal operation, and sends it to the processor main circuit 902 via the output fixing circuit 907 and the level down circuit 905. The IO circuit 909 takes in a signal from the outside and sends it to the processor main circuit 902 via the output fixing circuit 907 and the level down circuit 905. Further, a signal from the processor main circuit 902 is output to the outside via the level up circuit 904. The RTC circuit 914 operates at 3.3V, receives a control signal from the processor main circuit 902 via the input fixed level up circuit 960, and controls the processor main circuit 902 via the level down circuit 906 and the output fixed circuit 911. Send a signal. The operation mode control unit 913 receives a control signal via the input fixing circuit 912, and controls the substrate bias generation circuit 903 in particular.
[0083]
The power supply monitoring circuit 921 monitors the voltage level of the power supply 904. When the voltage level falls below a predetermined level (detection of a dead battery), HARDSTB # 951 is set to a low level, the input of RTC 3.3V region 992 is fixed, and the malfunction of RTC circuit 914 is prevented. At the same time, an alarm indicating that the battery has run out is displayed on the display 922. Thereafter, the voltage level continues to drop, and the 3.3 V and 1.8 V system voltages are no longer supplied to the processor chip 901. At this time, the voltage (VDD-RTC, VSS-RTC) is supplied only from the backup battery 962 to the 3.3 V region of the RTC via the diode 963, and only the RTC circuit 914 (calendar counter circuit) is provided without the power supply 904. Works fine. The diode 964 prevents a current from flowing to components other than the RTC circuit 914.
[0084]
The RTC power supply backup sequence will be described in detail with reference to FIG.
(1) When HARDSTB # 951 goes low, the operation mode enters the hardware standby state 986. Here, the 1.8 V signal fixing 953 is output from the operation mode control unit 913 to fix the signal from 3.3 V to 1.8 V and stop the 1.8 V system clock. As a result, even when the substrate bias is pulled, the 1.8 V system signal does not operate, so that a malfunction of the 1.8 V system circuit while the substrate bias is pulled is prevented. At the same time, an input fixing signal 954 to the RTC circuit 914 is output to fix the input signal. This prevents an unstable intermediate level signal from entering the RTC circuit 914 when the other power supply is cut off.
(2) Thereafter, a substrate bias control start signal 955 is output to the substrate bias generation circuit 903 based on the timing of the 1.8 V signal fixing 953. Between the signal fixing 953 and the substrate bias control start 955, a time difference is set until the signal is actually fixed and the supply of the signal to the 1.8 V region is stopped. This time difference can be measured by a timer based on the RTC clock of the RTC circuit 914.
(3) Upon receiving the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 starts pulling the substrate bias of the 1.8V substrate. While the substrate bias is being pulled, a 956 signal during the substrate bias control is returned to the operation mode control unit 913.
(4) The processor main circuit 902 does not operate while the substrate bias is being pulled. Furthermore, since the leak current is small, the current consumption is small.
(5) The interruption period of the power supply 904 may be long. Further, the power supply 904 can be replaced.
(6) After the power supply 904 is recovered from the cutoff (or after the power supply 904 is replaced), the power supply voltage returns to the normal level, so that HARDSTB # 951 returns to the high level.
(7) Thereafter, the power-on reset circuit operates, and RESET # 952 is input. With this reset input, the substrate bias control start signal 955 is released.
(8) In response to the cancellation of the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 changes the substrate bias of the 1.8V system substrate to the operating state potential (for example, VDD potential for PMOS and VSS potential for NMOS). Start returning. A predetermined time is required until the substrate bias is recovered, and when the substrate bias is returned, the operation mode control unit 913 is notified by canceling the substrate bias control signal 956.
(9) In response to the cancellation of the substrate bias control signal 956, the 1.8V signal fixing 953 output from the operation mode control unit 913 is canceled, and the signal is sent to the 1.8V circuit such as the processor main circuit 902. Is entered.
(10) After the reset state 981, the normal state 982 is entered, and the processor main circuit 902 starts a normal operation.
[0085]
In the above sequence, a power switch can be provided for the power supply 904, and only the RTC circuit 914 can be operated during the power-off period.
[0086]
As described above, by using the hardware standby, only the RTC circuit 914 can be operated with battery backup.
[0087]
FIG. 18 illustrates a sequence in which the normal sleep command 959 is used to enter the standby state 985 and return to the normal state 982 by the interrupt signal 958.
(1) The sleep mode 959 causes the operation mode to enter the standby state 985. Here, the 1.8 V signal fixing 953 is output from the operation mode control unit 913 to fix the signal from 3.3 V to 1.8 V and stop the 1.8 V system clock. This prevents a malfunction of the 1.8 V system circuit when the substrate bias is pulled.
(2) Thereafter, a substrate bias control start signal 955 is output to the substrate bias generation circuit 903 based on the timing of the 1.8 V signal fixing 953. Between the signal fixing 953 and the substrate bias control start 955, a time difference is set until the signal is actually fixed and the supply of the signal to the 1.8 V region is stopped. This time difference can be measured by a timer based on the RTC clock of the RTC circuit 914.
(3) Upon receiving the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 starts pulling the substrate bias of the 1.8V substrate. While the substrate bias is being pulled, a 956 signal during the substrate bias control is returned to the operation mode control unit 913.
(4) The processor main circuit 902 does not operate while the substrate bias is being pulled. Furthermore, since the leak current is small, the current consumption is small.
(5) In this state, when an interrupt signal 958 is received from the control signal 957 (external pin) via the IO circuit 909, the operation mode control unit 913 cancels the substrate bias control start signal 955.
(6) In response to the cancellation of the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 changes the substrate bias of the 1.8V system substrate to the operating state potential (for example, VDD potential for PMOS, VSS potential for NMOS). Start returning. A predetermined time is required until the substrate bias is recovered, and when the substrate bias is returned, the operation mode control unit 913 is notified by canceling the substrate bias control signal 956.
(7) Upon receiving the cancellation of the substrate bias control signal 956, the operation mode control unit 913 cancels the 1.8V signal fixing 953. By releasing the 1.8 V signal fixing 953 after the substrate bias control signal is released, malfunction of the 1.8 V system circuit is prevented.
(5) A signal is input to a 1.8 V system circuit such as the processor main circuit 902 and enters a normal state 982, and the processor main circuit 902 starts a normal operation.
[0088]
As described above, the processor chip 901 enters the low power consumption mode and can be restored by the interruption.
[0089]
FIG. 19 illustrates a sequence in which the normal sleep command 959 is used to enter the standby state 985 and return to the normal state 982 by RESET # 952.
(1) The sleep mode 959 causes the operation mode to enter the standby state 985. Here, the 1.8 V signal fixing 953 is output from the operation mode control unit 913 to fix the signal from 3.3 V to 1.8 V and stop the 1.8 V system clock. This prevents a malfunction of the 1.8 V system circuit when the substrate bias is pulled.
[0090]
After that, the completion of signal fixing is measured by the 1.8 V signal fixing 953, and a substrate bias control start signal 955 is output to the substrate bias generation circuit 903.
(2) Upon receiving the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 starts pulling the substrate bias of the 1.8V system substrate. While the substrate bias is being pulled, a 956 signal during the substrate bias control is returned to the operation mode control unit 913.
(3) The processor main circuit 902 does not operate while the substrate bias is being pulled. Furthermore, since the leak current is small, the current consumption is small.
(4) In this state, the operation mode control unit 913 receives RESET # 952 and cancels the substrate bias control start signal 955.
(5) In response to the cancellation of the substrate bias control start signal 955, the substrate bias generation circuit 903 starts to return the substrate bias of the 1.8V system substrate to the operating state potential. When the substrate bias is returned, the operation mode control unit 913 is notified using the substrate bias controlling signal 956.
(6) Upon receiving the release signal, the 1.8V signal fixing 953 is released.
(7) After the reset state 981 is completed, a signal is input to a 1.8 V system circuit such as the processor main circuit 902, and the normal state 982 is entered, and the processor main circuit 902 starts a normal operation.
[0091]
As described above, the processor chip 901 enters the low power consumption mode and can be restored by reset.
[0092]
As described above, the processor chip 901 has a portion to which 1.8 V is supplied as a power supply voltage and a portion to which 3.3 V is supplied as a power supply voltage. A portion to which 1.8 V is supplied includes, for example, a processor main circuit 902 and the like. This part has a large circuit scale and needs to operate at a higher speed. Since the circuit scale is large and high-speed operation is required, the power consumption in this part increases. In this embodiment, the power supply voltage is reduced in order to reduce the power consumption.
[0093]
Further, when the power supply voltage is lowered (for example, 1.8 V), the operation speed is reduced. Therefore, the threshold voltage of the MOS transistor is lowered (for example, Vth <0.4 V). Further, in this embodiment, the substrate voltage control is performed to reduce the sub-threshold leakage current due to the lower threshold.
[0094]
On the other hand, a portion where 3.3 V is supplied as a power supply voltage is, for example, an RTC circuit 914. Since these circuits are small-scale and operate at low speed, power consumption is small. Therefore, such a circuit block does not need to lower the power supply voltage. For example, Vth> 0.5V can be set. Since it is not necessary to lower the threshold value of the MOS transistor, there is an advantage that there is no need to take a current measure by controlling the substrate in order to reduce the sub-threshold leakage current.
[0095]
The processor chip 901 of this embodiment uses both of these power supply voltages. That is, a portion requiring large-scale high-speed operation uses a low-voltage low-threshold MOS with substrate control, and uses a high-voltage high-threshold MOS without substrate control. The method of manufacturing MOS transistors having different thresholds is not particularly limited, but can be realized by changing the amount of channel implantation. It can also be realized by changing the thickness of the gate oxide film. In the latter case, the threshold value may be increased by increasing the thickness of the oxide film of the MOS transistor. This is because a high threshold MOS is operated at a high voltage, so that it is necessary to increase the oxide film thickness. If the threshold can be increased by increasing the thickness of the oxide film, the process can be simplified.
[0096]
Further, since the input / output circuit 909 needs to transmit and receive the external signal amplitude of 3.3 V, it is desirable to use the same MOS transistor as the high-voltage threshold MOS because the process can be shared.
[0097]
【The invention's effect】
According to the present invention, a microprocessor that achieves both high speed and low power consumption can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a processor chip according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a general device structure used for substrate bias control.
FIG. 3 is a sectional view showing a device structure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart used to explain an operation in the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a processor chip according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of a processor chip according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of a processor chip according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram of a processor chip according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between an operation mode and substrate bias control according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a processor main circuit of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a low power consumption mode of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating sleep and deep sleep according to the present invention.
FIG. 13 is a transition diagram of the operation mode of the present invention.
FIG. 14 is a first configuration diagram of a configuration of a processor chip and a power supply control circuit of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating a power supply replacement sequence according to the present invention.
FIG. 16 is a second configuration diagram of a configuration of a processor chip and a power supply control circuit of the present invention.
FIG. 17 is a diagram illustrating a sequence of RTC power supply backup according to the present invention.
FIG. 18 is a diagram illustrating a sequence from the low power consumption mode of the present invention to a return from an interrupt.
FIG. 19 is a diagram illustrating a sequence from a low power consumption mode of the present invention to a return from a reset.
[Explanation of symbols]
101: Processor chip, 102: Processor main circuit, 103: Operation mode control unit, 104: Substrate bias switching device, 109: Timer, 501: Sensor, 801: Substrate bias generation circuit.

Claims (10)

少なくとも一つのMOSトランジスタを含み、第1モードと第2モードとを有する論理回路と、
上記少なくとも一つのMOSトランジスタに印加する基板バイアス電圧を制御する基板バイアス制御回路と、
上記第1モードに移行する命令の実行または上記第2モードに移行する割り込みに応答して動作する動作モード制御部とを有し、
上記動作モード制御部は、上記命令の実行に応答して上記基板バイアス電圧を制御し、上記第1モードにおける上記基板バイアス電圧を第1電圧に制御し、上記割り込みに応答して上記基板バイアス電圧を制御し、上記第2モードにおける上記基板バイアス電圧を第2電圧に制御し、上記第1電圧が印加された上記少なくとも一つのMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値は上記第2電圧が印加された上記少なくとも一つのMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高くされ、
上記論理回路は、上記命令の実行に応答して上記論理回路の入力が変化しないように制御され、上記割り込み後、上記少なくとも一つのMOSトランジスタに印加される基板バイアス電圧が所定のレベルまで安定した後に動作を開始する半導体集積回路。
A logic circuit including at least one MOS transistor and having a first mode and a second mode;
A substrate bias control circuit for controlling a substrate bias voltage applied to the at least one MOS transistor;
An operation mode control unit that operates in response to execution of an instruction to shift to the first mode or an interrupt to shift to the second mode,
The operation mode control unit controls the substrate bias voltage in response to execution of the command, controls the substrate bias voltage in the first mode to a first voltage, and responds to the interrupt in response to the interrupt. And the substrate bias voltage in the second mode is controlled to a second voltage, and the absolute value of the threshold voltage of the at least one MOS transistor to which the first voltage is applied is equal to the absolute value of the second voltage. The absolute value of the threshold voltage of the at least one MOS transistor,
The logic circuit is controlled so that an input of the logic circuit does not change in response to execution of the command, and after the interruption, the substrate bias voltage applied to the at least one MOS transistor is stabilized to a predetermined level. A semiconductor integrated circuit that starts operating later.
請求項1において、
上記論理回路は、上記MOSトランジスタとして第1導電型の第1MOSトランジスタと第2導電型の第2MOSトランジスタとを含み、
上記第1MOSトランジスタと上記第2MOSトランジスタとはCMOS回路を構成している半導体集積回路。
In claim 1,
The logic circuit includes a first conductivity type first MOS transistor and a second conductivity type second MOS transistor as the MOS transistor,
A semiconductor integrated circuit in which the first MOS transistor and the second MOS transistor constitute a CMOS circuit.
請求項2において、
上記半導体集積回路の基板は、第2導電型の第1半導体領域と第1導電型の第2半導体領域と第2導電型の第3半導体領域とを有し、
上記第3半導体領域は上記第2半導体領域に形成され、上記第2半導体領域は上記第1半導体領域に形成され、
上記第1MOSトランジスタは上記第3半導体領域に形成され、上記第2MOSトランジスタは上記第2半導体領域に形成されている半導体集積回路。
In claim 2,
The substrate of the semiconductor integrated circuit has a first semiconductor region of a second conductivity type, a second semiconductor region of a first conductivity type, and a third semiconductor region of a second conductivity type,
The third semiconductor region is formed in the second semiconductor region, the second semiconductor region is formed in the first semiconductor region,
The semiconductor integrated circuit, wherein the first MOS transistor is formed in the third semiconductor region, and the second MOS transistor is formed in the second semiconductor region.
請求項3において、
上記第1MOSトランジスタの基板バイアス電圧は上記第3半導体領域に印加され、上記第2MOSトランジスタの基板バイアス電圧は上記第2半導体領域に印加される半導体集積回路。
In claim 3,
A semiconductor integrated circuit wherein a substrate bias voltage of the first MOS transistor is applied to the third semiconductor region, and a substrate bias voltage of the second MOS transistor is applied to the second semiconductor region.
請求項3において、
上記動作モード制御部は、上記第2半導体領域とは異なる半導体領域に形成される半導体集積回路。
In claim 3,
The semiconductor integrated circuit, wherein the operation mode control unit is formed in a semiconductor region different from the second semiconductor region.
請求項1において、
上記動作モード制御部は、上記基板バイアス電圧の安定期間として定められた期間を計測するタイマーを含む半導体集積回路。
In claim 1,
The semiconductor integrated circuit includes a timer for measuring a period defined as a stable period of the substrate bias voltage.
請求項1において、
上記動作モード制御部は、上記少なくとも一つのMOSトランジスタの基板バイアス電圧の安定をモニタするセンサを含む半導体集積回路。
In claim 1,
The semiconductor integrated circuit includes a sensor that monitors stability of a substrate bias voltage of the at least one MOS transistor.
請求項1において、
上記論理回路の入力に接続された入力制御回路を有し、
上記入力制御回路は、上記命令の実行から上記論理回路の動作開始まで、上記論理回路の入力を所定のレベルに制御する半導体集積回路。
In claim 1,
An input control circuit connected to an input of the logic circuit,
A semiconductor integrated circuit that controls an input of the logic circuit to a predetermined level from execution of the instruction to start of operation of the logic circuit;
請求項5において、
上記論理回路の入力に接続された入力制御回路を有し、
上記入力制御回路は、上記命令の実行から上記論理回路の動作開始まで、上記論理回路の入力を所定のレベルに制御し、
上記入力制御回路は、上記動作モード制御回路が構成される半導体領域に形成される半導体集積回路。
In claim 5,
An input control circuit connected to an input of the logic circuit,
The input control circuit controls the input of the logic circuit to a predetermined level from execution of the instruction to start of operation of the logic circuit,
The input control circuit is a semiconductor integrated circuit formed in a semiconductor region where the operation mode control circuit is configured.
論理回路の基板バイアス制御の移行時には、上記論理回路の入力を制御する半導体集積回路。A semiconductor integrated circuit for controlling the input of the logic circuit at the time of shifting the substrate bias control of the logic circuit.
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