JP2011192084A - 半導体集積回路および電子情報機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体集積回路において、スタンバイモードからの復帰時間を短くでき、スタンバイモードからの復帰のための不揮発性メモリなどの付加的な回路は不要で余分なコストが発生しないという利点を維持したまま、スタンバイモードにおける電源電圧をさらに下げることでリーク電流を抑えた低消費電力動作を実現する。
【解決手段】半導体集積回路100において、複数の内部回路のうちの主要なコア回路の動作モードを、通常動作モードとスタンバイモードとの間で切り替えるモード切替回路108と、該モード切替回路に該スタンバイモードを解除するよう指示するスタンバイ解除要因検出回路107とを備え、該モード切替回路108及び該スタンバイ解除要因検出回路107を、該スタンバイモードでのスタンバイ電圧により該システムクロックとは非同期で動作するよう構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体集積回路および電子情報機器に関し、特に、組み込み向けICなど低消費電力動作を要求される半導体集積回路、および該半導体集積回路を搭載した電子情報機器に関するものである。
従来から、半導体集積回路の消費電力低減は大きな課題であり、その対策のひとつとして半導体集積回路に通常動作モードとスタンバイモードの2つのモードを設け、半導体集積回路が機能を停止しても良い期間、例えばPDA(Personal Digital Assistants)端末でキー入力がしばらく無い場合などにおいては、システムクロックを停止させることで回路の消費電力を減少させるスタンバイモードに移行させるという方法がとられてきた。
図8は、このような従来の半導体集積回路を説明する図である。
この半導体集積回路200は、電源供給回路201からの動作電圧により動作するものである。この半導体集積回路200は、コア電源端子(VDD−CORE)100a、IO電源端子(VDD−IO)100b、および接地電源端子(VSS)100cを有しており、コア電源端子100aおよびIO電源端子100bには、電源供給回路201の対応する端子101aおよび101bから、VDD−CORE電圧およびVDD−IO電圧が供給されるようになっている。
なお、半導体集積回路200の接地電源端子100cおよび電源供給回路201の接地電源端子101cは接地電位に設定されている。
この半導体集積回路200は、内部回路である各種機能を実行する機能ブロック113と、該機能ブロック113の動作を制御するプロセッサ106とを有し、該機能ブロック113とプロセッサ106とはバスを介して接続されている。また、半導体集積回路200は、該機能ブロック113およびプロセッサ106を動作させるシステムクロックを生成するクロックジェネレータ(CG)112と、該クロックジェネレータ112で生成されるシステムクロックの周波数を決定する位相ロックトループ回路(PLL回路)111とを有し、このPLL回路111は、該PLL回路111に供給するクロック信号(i_CLK)を生成する水晶発振子102と接続されている。
また、半導体集積回路200は、複数のスタンバイ解除要因1、2、・・・、xに応じたウェークアップ信号(i_WAKEUP_1、i_WAKEUP_2、・・・、i_WAKEUP_x)が入力されるスタンバイ解除要因入力端子105a、105b、・・・、105と、これらの端子に入力されたウェークアップ信号に基づいて、スタンバイ解除信号を出力するスタンバイ解除要因検出回路107と、プロセッサ106からのスタンバイモード信号に基づいて、PLL回路111および発振子102を停止させ、スタンバイ解除要因検出回路107からのスタンバイ解除信号により、PLL回路111および発振子102の停止状態を解除して動作を再開させるモード切替回路208とを有している。
ここで、上記半導体集積回路200を構成する内部回路としての各種機能ブロック113、プロセッサ106、クロックジェネレータ112、PLL回路111、スタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路208は、VDD−CORE電圧により動作するようになっている。また、半導体集積回路200には、VDD−IO電圧により駆動される回路、例えば入出力端子を構成するドライブ回路(図示せず)も含まれている。ここでは、VDD−CORE電圧は1.2V±0.1V、VDD−IO電圧は1.8V±0.1Vとなっている。
このような構成の半導体集積回路200では、例えばその内部のプロセッサ106が、キー入力の無い時間が一定期間に達したことを検出すると、モード切替回路208に通常動作モードからスタンバイモードへのモード切替をモード切替信号により指示する。モード切替回路208は、プロセッサ106からモード切替信号を受けると、水晶発振子102およびPLL回路111を停止させることで、通常動作モードからスタンバイモードに動作モードを切り替える。
一方、スタンバイモードから通常動作モードへの復帰は、キー入力が入ったことを半導体集積回路200自身が検出することで行われる。ここでは、半導体集積回路200におけるスタンバイ解除要因検出回路107が、スタンバイ解除要因の1つとしてキー入力が発生したことを検出して、モード切替回路208にスタンバイモードから通常動作モードへの復帰をスタンバイ解除信号により指示する。モード切替回路208は、スタンバイ解除信号を受けると、水晶発振子102およびPLL回路111の動作を再開させる。これにより半導体集積回路200の動作モードが通常動作モードに復帰することになる。
従来は、このように通常動作モードとスタンバイモードとを切り替えることで半導体集積回路200の低消費電力化を実現してきたが、近年は半導体集積回路の微細化が進み、システムクロックを停止させても無視できないほどのリーク電流が流れるために、動作モードをスタンバイモードにしてもそれほど低消費電力化が図れないという新たな課題が生まれている。
その課題に対応する方法としては、半導体集積回路の一部の内部回路の電源を切ってしまうことでリーク電流自体を抑える方法(特許文献1)や、スタンバイモード時に通常の動作電圧よりも少し低い電圧を供給することでリーク電流を抑える方法(特許文献2)が考えられている。
特開2002−132397号公報 特開昭63−65714号公報
しかしながら、上記従来の構成では、前者の方法、つまり特許文献1に開示の、半導体集積回路の一部の内部回路の電源を切ってしまう方法は、低消費電力化にとっては大きな効果が期待できるが、電源を切ってしまうため、半導体集積回路の状態を保持できず、スタンバイモードからの復帰時に再度回路の設定をやり直すか、もしくは、あらかじめ半導体集積回路の内部もしくは外部に用意した不揮発性メモリに内部状態を保存しておき、スタンバイモードからの復帰時に保存した状態を復元する必要がある。このため、スタンバイモードからの復帰に時間がかかったり、不揮発性メモリを別途用意することで追加コストがかかったりするといった問題がある。
それに対して、後者の方法、つまり特許文献2に開示の、スタンバイモード時に通常の動作電圧よりも少し低い電圧を供給することでリーク電流を抑える方法は、電源が常時供給されているため半導体集積回路内の状態がスタンバイモード中保持されており、スタンバイモードからの復帰時間も短くて済み、また余分な不揮発性メモリも必要ないという利点があるが、前者の方法よりも、低消費電力化の効果が薄いという欠点がある。
特に、特許文献2に開示の方法では、スタンバイモードからの復帰時には、発振停止も同時に解除されて発振が再開するため、スタンバイモード時に下げることができる電圧は、発振回路が動作可能な電圧までしか下げることができない。このようなことから、近年は特にリーク電流の増大のために、多少動作電圧を下げて動作モードを通常動作モードからスタンバイモードに切り替えてもリーク電流が余り減らないことが大きな問題となっている。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、スタンバイモードからの復帰時間を短くでき、スタンバイモードからの復帰のための不揮発性メモリなどの付加的な回路は不要で余分なコストが発生しないという利点を維持したまま、スタンバイモードにおける電源電圧をさらに下げることでリーク電流を抑えた低消費電力動作を実現することができる半導体集積回路およびこのような半導体集積回路を搭載した電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体集積回路は、複数の内部回路を備え、該複数の内部回路のうちの主要なコア回路がシステムクロックに基づいた動作を行う通常動作モードと、該コア回路の動作電圧を、該通常動作モードでの動作電圧より低いスタンバイ電圧まで低下させるスタンバイモードとを有する半導体集積回路であって、該コア回路の動作モードを、該通常動作モードと該スタンバイモードとの間で切り替えるモード切替回路と、該モード切替回路に該スタンバイモードを解除するよう指示するスタンバイ解除回路とを備え、該モード切替回路及び該スタンバイ解除回路を、該スタンバイ電圧により該システムクロックとは非同期で動作するよう構成し、該スタンバイモードでは、該コア回路の動作電圧を該システムクロックに基づいた動作の限界以下のスタンバイ電圧まで低下させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記モード切替回路から出力されるモード切替を指示するモード切替信号を外部の電源供給回路に出力するモード切替通知出力端子部を有し、該モード切替通知出力端子部は、前記スタンバイ電圧で動作する閾値電圧の低いトランジスタを含むことが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記モード切替通知出力端子部は、前記複数の内部回路に動作電圧を供給する前記電源供給回路に接続されており、該電源供給回路は、前記コア回路に、前記動作電圧として前記動作モードに応じたコア電圧を供給するとともに、前記複数の内部回路のうちの該コア回路以外の内部回路に、前記動作モードに関係なく一定電位の動作電圧を供給することが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記電源供給回路が、前記モード切替通知出力端子からスタンバイモード解除の指示を受けた後、前記コア電圧を前記スタンバイ電圧から前記通常動作モードでの動作電圧まで上昇させたときに出力する電圧安定化信号を入力するための端子を備えていることが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記システムクロックの基準となるクロック信号を生成する発振子の発振停止および停止解除を制御する発振停止解除回路を有し、該発振停止解除回路は、前記モード切替回路からのモード切替信号に基づいて、該発振子の発振が停止するよう該発振子を制御し、前記電源供給回路からの電圧安定化信号に基づいて、該発振子の発振が再開されるよう該発振子を制御することが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記複数の内部回路は、前記コア回路として、種々のデータを記憶するメモリ回路を含み、前記スタンバイ電圧は、該メモリ回路でのデータの記憶状態が保持される限界以上の電圧であることが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記スタンバイ解除回路は、複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因に応じて、前記モード切替回路に前記スタンバイモードの解除を行うよう指示するものであることが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記スタンバイ解除回路は、前記複数のスタンバイ解除要因の各々に対して、それぞれのスタンバイ解除要因を有効とするか無効とするかに応じた値を設定するための複数の設定領域を有する選択レジスタを備え、該選択レジスタの設定領域に設定された値によって、該複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因を、該所定のスタンバイ解除要因によるスタンバイモードの解除が行われることがないようマスクすることが好ましい。
本発明は、上記半導体集積回路において、前記コア回路を制御するプロセッサを有し、前記モード切替回路は、該プロセッサからの指令信号に基づいて、前記コア回路の動作モードを、前記通常動作モードから該スタンバイモードに切り替えることが好ましい。
本発明に係る電子機器は、上述した本発明に係る半導体集積回路を備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
以下、本発明の作用について説明する。
この発明においては、複数の内部回路のうちの主要なコア回路の動作モードを、通常動作モードとスタンバイモードとの間で切り替えるモード切替回路と、該モード切替回路に該スタンバイモードを解除するよう指示するスタンバイ解除回路とを備え、該モード切替回路及び該スタンバイ解除回路を、該スタンバイモードでのスタンバイ電圧により該システムクロックとは非同期で動作するよう構成したので、該スタンバイモードでは、該コア回路の動作電圧を該システムクロックに基づいた動作の限界以下のスタンバイ電圧まで低下させても、モード切替回路及び該スタンバイ解除回路は、スタンバイモードでシステムクロックによらずに動作可能であり、動作モードをスタンバイモードから通常動作モードに復帰させることできる。
つまり、スタンバイモードでは、電源電圧をシステムクロックに基づいたコア回路の動作の限界以下に下げることが可能となり、リーク電流をさらに抑えることができる。また、電源電圧をシステムクロックに基づいたコア回路の動作の限界以下に下げても、この電源電圧をメモリ回路などでデータが保持される電圧より高く保持することで、半導体集積回路の状態を保持することができ、スタンバイモードへの復帰後に、再度回路の設定をやり直したり、もしくは、あらかじめ半導体集積回路の内部もしくは外部に用意した不揮発性メモリに内部状態を保存しておいたりする必要はない。
この結果、スタンバイモードからの復帰時間を短くでき、スタンバイモードからの復帰のための不揮発性メモリなどの付加的な回路は不要で余分なコストが発生しないという利点を維持したまま、スタンバイモードにおける電源電圧をさらに下げることでリーク電流を抑えることができる。
また、本発明においては、モード切替回路から出力されるモード切替信号を外部に出力するモード切替通知出力端子部を、スタンバイ電圧で動作する閾値電圧の低いトランジスタを含む構成としているので、スタンバイモードで、スタンバイモードから通常モードへの復帰を外部の電源供給回路などに通知することができる。
本発明においては、電源供給回路は、半導体集積回路における複数の内部回路のうちのコア回路には、動作電圧として動作モードに応じたコア電圧を供給するとともに、複数の内部回路のうちのコア回路以外の内部回路に、動作モードに関係なく一定電位の動作電圧を供給するので、コア回路以外の電流リークの少ない内部回路では、スタンバイモードでも通常の動作電圧を維持することができる。
本発明においては、電源供給回路は、モード切替通知出力端子からスタンバイモード解除の指示を受けた後、コア電圧をスタンバイ電圧から通常動作モードでの動作電圧まで上昇させたとき電圧安定化信号を出力するので、半導体集積回路では、電源供給回路からの電圧安定化信号を受けた後に、システムクロックの生成を再開することで、スタンバイモードからの通常動作モードへの復帰を、誤動作の発生などを招くことなく安定に行うことができる。
本発明においては、スタンバイ解除回路は、複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因に応じて、前記モード切替回路に前記スタンバイモードの解除を行うよう指示するので、半導体集積回路の用途や動作状態によって、所定のスタンバイ解除要因をマスクすることができる。
例えば、携帯電話などのモバイル機器において、その蓋を閉じて収納状態に折りたたんだときにスタンバイモードに移行した場合には、蓋を開けたときにスタンバイモードから通常モードへ復帰するようにし、蓋を閉じた状態で、操作ボタンが押されてもスタンバイモードから通常モードへの復帰が行われないようするといったことが可能となる。
本発明においては、モード切替回路は、コア回路を制御するプロセッサからの指令信号に基づいて、コア回路の動作モードを、通常動作モードから該スタンバイモードに切り替えるので、コア回路の動作モードが、コア回路がプロセッサの制御により動作している途中でスタンバイモードに移行するのを回避することができ、これにより半導体集積回路のハングアップや誤動作を回避することができる。
本発明によれば、複数の内部回路のうちの主要なコア回路の動作モードを、通常動作モードとスタンバイモードとの間で切り替えるモード切替回路と、該モード切替回路に該スタンバイモードを解除するよう指示するスタンバイ解除回路とを備え、該モード切替回路及び該スタンバイ解除回路を、該スタンバイモードでのスタンバイ電圧により該システムクロックとは非同期で動作するよう構成したので、スタンバイモードからの復帰時間を短くでき、スタンバイモードからの復帰のための不揮発性メモリなどの付加的な回路は不要で余分なコストが発生しないという利点を維持したまま、スタンバイモードにおける電源電圧をさらに下げることでリーク電流を抑えた低消費電力動作を実現することができる半導体集積回路およびこのような半導体集積回路を搭載した電子情報機器を得ることができる。
図1は、本発明の実施形態1による半導体集積回路100を示すブロック図である。 図2は、本発明の実施形態1による半導体集積回路の動作を説明する図であり、通常動作モードとスタンバイモードとの切替のシーケンスを波形により示している。 図3は、本発明の実施形態1による半導体集積回路100におけるスタンバイ解除要因検出回路107を説明する図である。 図4は、本発明の実施形態1による半導体集積回路100におけるモード切替回路108を説明する図である。 図5は、本発明の実施形態1による半導体集積回路100における発振停止・解除回路109を説明する図である。 図6は、本発明の実施形態1による半導体集積回路100におけるPLL停止・解除回路110を説明する図である。 図7は、本発明の実施形態1による半導体集積回路におけるモード切替通知出力端子103を説明する図であり、図7(a)は、該端子を構成する回路を示し、図7(b)および図7(c)は、該端子を構成する回路における具体的なトランジスタ回路を示している。 図8は、従来の半導体集積回路200を説明するブロック図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1による半導体集積回路の構成を説明する図である。
この実施形態1による半導体集積回路100は、モード切替通知出力端子103、電源安定通知入力端子104、スタンバイ解除要因入力端子105a、105b、105、プロセッサ106、スタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路108、発振停止・解除回路109、PLL停止・解除回路110、及び、PLL回路111、CG(クロックジェネレータ)112、各種機能ブロック113やプロセッサと各種機能ブロックを接続するバスなどから構成されている。
つまり、この実施形態1の半導体集積回路100は、図8に示す従来の半導体集積回路200におけるモード切替回路208に代えて、このモード切替回路208とは異なるモード切替回路108、発振停止・解除回路109、およびPLL停止・解除回路110を備え、さらに、モード切替回路108によるモード切替指令を、外部の電源供給回路101に通知するための端子(モード切替通知出力端子)103と、外部の電源供給回路101から、電源電圧が安定したことを知らせる通知を受けるための端子(電源安定通知入力端子)104とを備えたものである。
また、この実施形態1の半導体集積回路100に電源を供給する電源供給回路101は、図8に示す従来の半導体集積回路200に電源を供給する電源供給回路201とはその構成が異なり、また、半導体集積回路200における端子101a〜101cに加えて、半導体集積回路100のモード切替通知出力端子103からの信号を受ける端子115と、半導体集積回路110の電源安定通知入力端子104に、電圧が安定したことを通知する信号を出力するための端子114とを有している。
また、この電源供給回路101から半導体集積回路100には、半導体集積回路における複数の内部回路のうちのコア回路106〜113以外の、端子部分(ドライブ回路や保護回路などを含む)に対する電源電圧であるVDD−IO(例えば1.8V±0.1V)と、コア部分(コア回路)を動作させるためのコア電圧VDD−CORE(例えば通常動作モード時は1.2V±0.1V)が安定的に供給されており、半導体集積回路100は、通常動作モードにおいてはCG回路112から出力されたシステムクロックに同期して動作する。また、この電源供給回路101は、半導体集積回路100からモード切替指令を受けたとき、コア電圧VDD−COREを通常動作モードでの電圧(1.2V±0.1V)からスタンバイ電圧(例えば0.8V±0.1V)まで低下させるよう構成されている。
そして、この実施形態1の半導体集積回路100では、モード切替回路108は、プロセッサ106からのスタンバイモードへの移行指令を受けたときは、外部の電源供給回路101にコア電圧を低下させるよう、モード切替信号(o_STBYn)により指示するとともに、PLL停止・解除回路110および発振停止・解除回路109に、PLL回路111および水晶発振子102を停止させるよう指令し、スタンバイ解除要因検出回路107からのスタンバイ解除指令を受けたときは、外部の電源供給回路101にコア電圧を復帰させるよう、モード切替信号(o_STBYn)により指示する構成となっている。
また、この実施形態では、外部の電源供給回路101は、モード切替回路108からのスタンバイモード解除を指令するモード切替信号に応じて、コア電圧をスタンバイモード時の電圧から通常動作モード時の電圧に復帰させる動作が完了し、電圧が安定したとき、電圧安定化信号(i_POWSTBL)を出力するよう構成されている。発振停止・解除回路109は、電圧安定化信号を受けたとき、水晶発振子102の発振を開始させる構成となっている。この水晶発振子102の発振の再開により、PLL停止・解除回路110およびPLL回路111は動作を開始することとなる。
以下、この実施形態1の半導体集積回路を構成するスタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路108、発振停止・解除回路109、およびPLL停止・解除回路110の具体的な構成について説明する。
図3から図6はそれぞれ、スタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路108、発振停止・解除回路109、PLL停止・回路回路110の具体的な回路構成を例示したものである。なお図3から図6で非同期リセット・セット付のFF(フリップフロップ)回路をいくつか例示しているが、このFF回路は非同期リセットと非同期セットが両方アサートされている場合は非同期リセットが優先して働くFF回路である(つまり非同期リセットがアサートされればFF回路の出力は必ず“0”になる)と仮定する。
まず、図3は、スタンバイ解除要因検出回路107の具体的な構成例を示している。
このスタンバイ解除要因検出回路107は、複数のスタンバイ解除要因選択回路(ANDゲート)301a、301b、・・・、301を有し、各スタンバイ解除要因選択回路(ANDゲート)の一方の入力は、スタンバイ解除要因入力端子105a、105b、・・・、105に接続されている。また、このスタンバイ解除要因検出回路107は、スタンバイ解除要因選択レジスタ300を有しており、該レジスタ300の各格納領域としてのFF回路に設定された値が、スタンバイ解除要因選択回路(ANDゲート)301a、301b、・・・、301の他方の入力に供給されるようになっている。さらに、スタンバイ解除要因検出回路107は、各スタンバイ解除要因選択回路301a、301b、・・・、301に対応するスタンバイ解除要因選択回路(非同期セット付FF回路)302a、302b、・・・、302と、これらのFF回路の出力(wup_1、wup_2、・・・、wup_x)を入力とするNOR回路303とを有し、各レジスタ(FF回路)は、スタンバイ解除要因選択回路(ANDゲート)301a、301b、・・・、301からのHighレベルの信号により非同期にセットされ、さらに、これらのFF回路の出力がNOR回路303を介してモード切替回路108に出力される構成となっている。
また、図4は、モード切替回路108の具体的な構成例を示している。
このモード切替回路108は、プロセッサ106によって格納値が“0”から“1”にセットされ、スタンバイ解除要因検出回路107から出力されたwup_clrn信号がHigh→Lowに変化したとき、非同期にリセットするスタンバイモード移行切替レジスタ400と、スタンバイモード移行切替レジスタ400の出力(wup_set)に基づいて、非同期にセットし、スタンバイ解除要因検出回路107から出力されたwup_clrn信号がHigh→Lowに変化したとき、非同期にリセットするスタンバイモード切替信号制御回路401とを有している。
また、図5は、発振停止解除回路109の具体的な構成例を示している。
この発振停止解除回路109は、電源供給回路101からのi_POWSTBL信号としてHighパルスが入力されると、“1”にセットされる発振停止信号生成回路500と、回路500の出力信号(ctk_ctrl)と、モード切替回路108の出力(o_STBYn)とを入力とするANDゲート501と、該ANDゲート501の出力と水晶発振子102の一端とを入力とするNANDゲート502とを備え、該NANDゲート502の出力には水晶発振子102の他端が接続されている。
また、図6は、PLL停止解除回路110の具体的の構成例を示す図である。
このPLL停止解除回路110は、水晶発振子102から発振クロック(i_CLK)によりカウント動作を行い、モード切替回路108からのモード切替信号(o_STBYn)によりリセットされるカウント600と、該カウンタ600の各ビットを入力とし、pll_en信号をPLL回路111に出力するANDゲート601とを有している。
さらに、図7は、半導体集積回路100におけるモード切替通知出力端子103を説明する図であり、図7(a)はその回路構成を示し、図7(b)および図7(c)は具体的なトランジスタ回路を示している。
この出力端子103は、図7(a)に示すように、モード切替回路108からのモード切替信号(o_STBY)を反転して出力する第1のインバータ回路Td1と、この第1のインバータ回路Td1の出力を反転して出力する第2のインバータ回路Td2とを有している。ここで、第1のインバータ回路Td1は、図7(b)に示すように、コア電源(VDD−CORE)と接地との間に接続されたP型MOSトランジスタTr1aおよびN型MOSトランジスタTr1bとを有し、これらのトランジスタは、スタンバイモードでのCORE電圧(0.8V±0.1V)で動作するよう閾値が低く設定されており、このインバータTd1の出力のハイレベルはCORE電圧のレベルであり、その出力のローレベルは接地レベルである。また、第2のインバータ回路Td2は、図7(c)に示すように、IO電圧(IO−VDD)と接地との間に接続されたP型MOSトランジスタTr2aおよびN型MOSトランジスタTr2bとを有し、これらのトランジスタは、スタンバイモードでのCORE電圧(0.8V±0.1V)で動作するよう閾値が低く設定されており、またこのインバータTd2の出力のハイレベルは、IO電圧(1.8V±0.1V)のレベル、その出力のローレベルは接地レベルである。
次に動作について説明する。
図2は、図1で示した半導体集積回路100が通常動作モードからスタンバイモードに切り替わり、その後またスタンバイモードから通常動作モードに復帰する時のシーケンスを表した波形を示す図である。
ここで、時刻T1まで(T1から左側)においては、半導体集積回路100は通常動作モードで動作しており、時刻T1においてスタンバイモードへの移行を行うことがプロセッサ106により決定されたものとする。スタンバイモードへの移行については、半導体集積回路の所定の端子(図示せず)からのスタンバイモード移行要求信号入力があるといった外部要因の場合も、キー入力が一定期間無い場合にそれをプロセッサ106が検出してスタンバイモードへ移行するといった内部要因の場合もある。
時刻T1でプロセッサ106がスタンバイモードへの移行を決断すると、プロセッサ106はスタンバイモードを解除するための外部要因としていくつかのスタンバイ解除要因をスタンバイ解除要因検出回路107に設定する。具体的には、プロセッサ106は、スタンバイ解除要因検出回路107におけるレジスタ300の、有効とすべきスタンバイ解除要因に対応する格納領域(FF回路)に“1”をセットする。その後、プロセッサ106はモード切替回路108へ信号を送り半導体集積回路100のモードをスタンバイモードへと切替える(時刻T2)。
この時、モード切替回路108は、半導体集積回路100の内部制御信号をスタンバイモードに切替え、この内部制御信号のモード切替によって、PLL停止・回路回路110は内部制御信号によりPLLを停止し、発振停止・解除回路109は、内部制御信号により水晶発振子の発振を停止させるように動作する。また、モード切替回路108は内部制御信号をスタンバイモードに切替えると同時に、モードを切替えたことを電源供給回路101に通知するため、モード切替通知出力端子103を通じてo_STBYn信号のレベルをHighからLowへ変化させる。
時刻T2で半導体集積回路100がスタンバイモードに移行したことをo_STBYn信号のHigh→Low遷移によって電源供給回路101が検知し、時刻T3〜T4の間に電源供給回路101は半導体集積回路100のコア電圧を通常の動作使用範囲(例えば1.2V±0.1V)をさらに下回る電圧(例えば0.8V±0.1V)に降下させる。
この降下させる電圧値は、半導体集積回路100内のSRAMやFF(フリップフロップ)回路などでデータを保持でき、かつ、スタンバイモードから通常動作モードに復帰するための内部回路駆動と、ドライブ回路を含む出力端子での信号レベルの切替などに必要となる最低限の電圧値であることが望ましい。なお、電圧降下はコア電圧(VDD−CORE)のみとし、端子電圧(VDD−IO)、つまり出力端子を構成するドライブ回路の駆動電圧は変更させないこととする。
その後、時刻T5にてあらかじめ選択されたスタンバイ解除要因が発生すると、半導体集積回路100はスタンバイ解除要因入力端子105を通じて要因を内部信号として伝達し、スタンバイ解除要因検出回路107でその要因としての内部信号を検出する。検出した信号によって、さらにモード切替回路108で制御しているモードが通常動作モードへ切替わると、モード切替通知出力端子103に現われるo_STBYn信号はLow→Highへと変化する(時刻T6)。
電源供給回路101は、o_STBYn信号がLow→Highへ変化したことを検知し、時刻T7〜T8の間に半導体集積回路100のコア電圧(VDD−CORE)を再び通常動作時の電圧(例えば1.2V±0.1V)に昇圧する。電源供給回路101は、昇圧が完了したことを待って、時刻T9に電源供給回路101はi_POWSTBL信号としてHighパルスを出力する。
半導体集積回路100はi_POWSTBL信号のHighパルスを電源安定通知入力端子104を通じて受け取り、発振停止・解除回路109は再び水晶発振子102が発振を開始するように発振停止を解除する(時刻T10)。
その後、発振安定時間を一定時間待った後、PLL停止・解除回路110はPLL回路111を再度イネーブルとし、システム全体にクロック供給を再開することでスタンバイモードから通常動作モードへの復帰を果たす。
以下、上記スタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路108、発振停止・解除回路109、PLL停止・回路回路110の具体的な動作について説明する。
まず、図3に示すスタンバイ解除要因検出回路107では、プロセッサ106によりスタンバイ解除要因選択レジスタ300の一部のFF回路に“1”が設定されることにより、時刻T2でスタンバイ解除要因が選択される。
スタンバイ解除要因検出回路107では、スタンバイ解除要因選択回路301(ANDゲート)の働きにより、スタンバイ解除要因選択レジスタ300に“1”が設定された要因だけが、スタンバイモードからの復帰要因として使われる。プロセッサによりスタンバイ解除要因として選択された要因についてスタンバイ解除要因入力端子105にHighレベルの信号が入力されると、対応するスタンバイ解除要因選択回路302(非同期セット付FF回路)が非同期にセットされ、スタンバイ解除要因生成回路303(NORゲート)によって束ねられたwup_clrn信号がHigh→Lowに遷移する(時刻T5)。なお、スタンバイモードから通常動作モードに復帰し、プロセッサが通常動作を始めた後にスタンバイ解除要因選択回路302の状態を読み出すことで、どのスタンバイ解除要因によって半導体集積回路100が通常動作モードに復帰したかを確認することが可能である。確認後は、後に再度スタンバイモードに移行することを想定し、スタンバイ解除要因選択レジスタ300とスタンバイ解除要因選択回路302の全レジスタ(FF回路)に“0”を設定しておくことが望ましい。
図4に示すモード切替回路108において、まず通常動作モードからスタンバイモードに切り替わる際に時刻T2においてプロセッサ106によってモード切替回路108内のスタンバイモード移行切替レジスタ(FF回路)400が“0”から“1”にセットされるものとする。それによりwup_set信号もLow→Highに変化し、スタンバイモード切替信号制御回路401であるFF回路が非同期にセットされ、この制御回路401は、o_STBYn信号をHigh→Lowに変化させる。
一方、モード切替回路108において、スタンバイモードから通常動作モードに復帰する際には、スタンバイ解除要因検出回路107から出力されたwup_clrn信号がHigh→Lowに変化するため、スタンバイモード移行切替レジスタ400、及びスタンバイモード切替信号制御回路401が共に非同期にリセットする。このため、結果としてo_STBYn信号はLow→Highに遷移する(時刻T6)。遷移したo_STBYn信号は発振停止・解除回路109、及びPLL停止・解除回路110に伝えられると共に、モード切替通知出力端子103を通じて半導体集積回路100の外部へと伝達される。
図5に示す発振停止・解除回路109においては、まず通常動作モードからスタンバイモードへ移行する際に、o_STBYnはHigh→Lowへ変化するので、発振停止信号生成回路500及び501によって発振停止回路502(NANDゲート)の一方の入力がLowに固定される。このとき、水晶発振子の一方の端子がHighに固定されるため、水晶発振が停止し、このため半導体集積回路100全体のクロックも停止することになる(時刻T2)。スタンバイモードから通常動作モードへの復帰時は、o_STBYnがLow→Highに遷移(時刻T6)した後、コア電圧が通常動作時の電位に戻ってから電源安定通知入力端子104を通じてi_POWSTBL信号としてHighパルスが入力される(時刻T9)。これにより、発振停止信号生成回路500の出力信号(ctk_ctrl)は“1”にセットされ、結果として発振停止信号回路501の出力も“1”となる。発振停止回路502(NANDゲート)は、この時、入力と出力を水晶発振子の両端に接続されたインバータ回路と等価であるので、水晶発振子は固有の周波数で再び発振を開始する(時刻T10)。この発振信号はclk_in信号としてPLL停止・解除回路110とPLL回路111に伝えられる。
図6に示すPLL停止・解除回路110において、まず通常動作モードからスタンバイモードへ移行する際にはo_STBYn信号がHigh→Lowに変化するため、PLL解除時間計測回路(カウンタ)600がリセットされて、PLLイネーブル信号生成回路601(ANDゲート)の入力信号が全て“0”になる。このため、PLLイネーブル信号生成回路601の出力信号pll_enも“0”となる。このpll_en信号はPLLの動作イネーブル信号であるため、PLL回路111はスタンバイモードに移行する際に機能を停止する。また、図5に示す発振停止・解除回路109の動作でも説明したとおり、同時に水晶発振子も停止してPLL回路111へのクロック入力clk_inも止まる(時刻T2)。
また、スタンバイモードから通常動作モードへ復帰する際は、水晶発振子102が再発振してもその発振が固有周波数で安定するまでに時間がかかるのが一般的である。このため、PLL停止・解除回路110は、PLL解除時間計測回路600としてカウンタを設け、このカウンタが水晶発振子102からのclk_in信号をクロックとしてカウントアップし、全ビットが“1”になるまでカウントアップを続ける回路構成としている。
ここで、カウンタのビット数は水晶発振子の発振が安定するまでの時間によって適切なビット数が選ばれるものとする。全ビットが“1”になるとPLLイネーブル信号生成回路601の出力信号pll_enが“1”になり、この出力信号pll_enによりPLL解除時間計測回路600としてのFF回路自身を非同期セットすることで、カウンタを全ビット“1”の状態で強制的に停止させている。pll_en信号はPLL回路111へ伝達し、PLL回路111がイネーブルとなり、PLL回路111からは、pll_clk_out信号として所定の逓倍されたクロックがクロックジェネレータ112に出力される。これにより半導体集積回路100は、再び通常動作モードとして動作を再開することができる。
以下、本発明の実施形態の効果について説明する。
上述したように、図2で示す時刻T2〜T10では、システムクロックの無い状態、時刻T3〜T8の期間は、さらにコア電圧が通常動作時よりも低い電位に設定されている状態で、半導体集積回路100は動作する必要があるが、図3〜図6で例示したように、スタンバイ解除要因をスタンバイ解除要因入力端子105を通じて入力し、スタンバイ解除要因検出回路107であらかじめ選択された要因のみを選択して、モード切替回路108で保持しているモードを通常動作モードに変更し、o_STBYn信号をモード切替通知出力端子103を通じて出力しつつ、o_STBYn信号を発信停止・解除回路109とPLL停止・解除回路110に伝えて発振停止信号生成回路500やPLL解除時間計測回路600を構成するFF回路を非同期リセットする、という一連の動作がクロックレスで動作することは例示した回路からも明らかである。
また、この一連の動作を行う回路は、スタンバイモードにおける低い電圧時にも動作させることができるように必要に応じて専用のゲート回路や入力端子、出力端子を用意することにはなるが、半導体集積回路100のごく一部の回路だけの限定的な対応で済ませることができ、かつ、前記一連の動作はクロックレスで信号が伝播するために通常の半導体集積回路100が動作するような動作スピードを要求されない。このため、一連の回路を構成する各ゲート回路も低電圧下において論理的な動作をさせる(入力の組み合わせに対して適切な出力信号を出す)ことさえできればよいため、多くの条件下においては専用のゲート回路を必要としないで、本実施形態の半導体集積回路を実現可能である。
具体的には、この実施形態の半導体集積回路100では、コア電圧を通常動作時の電源電圧範囲よりもさらに下げた状態で、一部の回路(図1を例にとると、スタンバイ解除要因検出回路107、モード切替回路108、モード切替通知出力端子103)をクロックレス動作させることによって、スタンバイモード時のコア電圧を下げ、半導体集積回路100のリーク電流を大幅に低減させることができる。
前記一部の回路以外は通常動作モードにおけるコア電圧で動作すればよいため、半導体集積回路100のごく一部の回路についてのみ低い電圧で動作させることさえ確認できれば良いことから、半導体集積回路100の設計・検証における手間も最小限に抑えることが可能である。
このように、本発明によれば、余分な外付け部品や通常動作モードへの余分な復帰時間を要することなく、スタンバイモード時のリーク電流を抑えてシステムの消費電力を低減できる。つまり、本発明の実施形態による半導体集積回路100では、スリープモード時に電源遮断は行わないために、半導体集積回路100内部のSRAMブロックやFFはスリープモード中データを保持し続けている。このため、スリープモードから通常動作モードへの移行時に内部状態を復帰させるための余分な回路や外付け部品を必要とせず、また状態復帰のための時間も必要としない。その結果、半導体集積回路100を含むシステムの低コスト化、及び、システムの通常動作モードへの高速復帰が実現できる。
以下、本実施形態の半導体集積回路100におけるさらなる効果について説明する。
本実施形態においては、モード切替回路108から出力されるモード切替信号を外部に出力するモード切替通知出力端子103を、スタンバイ電圧で動作する閾値電圧の低いトランジスタを含むインバータTd1およびTd2で構成しているので、スタンバイモードで、スタンバイモードから通常モードへの復帰を外部の電源供給回路などに通知することができる。
また、本実施形態においては、電源供給回路101は、半導体集積回路における複数の内部回路のうちのコア回路106〜113には、動作電圧として動作モードに応じたコア電圧を供給するとともに、複数の内部回路のうちのコア回路以外の内部回路(IO端子100bを構成するドライブ回路など)に、動作モードに関係なく一定電位の動作電圧を供給するので、コア回路以外の電流リークの少ない内部回路では、スタンバイモードでも通常の動作電圧を維持することができる。
また、本実施形態においては、電源供給回路101は、モード切替回路からスタンバイモード解除の指示を受けた後、コア電圧をスタンバイ電圧から通常動作モードでの動作電圧まで上昇させたとき電圧安定化信号(i_POWSTBL)を出力するので、半導体集積回路では、電源供給回路からの電圧安定化信号を受けた後に、システムクロックの生成を再開することで、スタンバイモードからの通常動作モードへの復帰を、誤動作の発生などを招くことなく安定に行うことができる。
また、本実施形態においては、スタンバイ解除要因検出回路107は、複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因に応じて、前記モード切替回路に前記スタンバイモードの解除を行うよう指示するので、半導体集積回路の用途や動作状態によって、所定のスタンバイ解除要因をマスクすることができる。
例えば、携帯電話などのモバイル機器において、その蓋を閉じて収納状態に折りたたんだときにスタンバイモードに移行した場合には、蓋を開けたときにスタンバイモードから通常モードへ復帰するようにし、蓋を閉じた状態で、操作ボタンが押されてもスタンバイモードから通常モードへの復帰が行われないようするといったことが可能となる。
また、本実施形態においては、モード切替回路108は、コア回路を制御するプロセッサ106からの指令信号に基づいて、コア回路の動作モードを、通常動作モードから該スタンバイモードに切り替えるので、コア回路の動作モードが、コア回路がプロセッサの制御により動作している途中でスタンバイモードに移行するのを回避することができ、これにより半導体集積回路のハングアップや誤動作を回避することができる。
さらに、上記実施形態1の半導体集積回路100は、携帯電話やノートパソコンなどのバッテリー駆動のモバイル機器に適したものであり、これらのモバイル機器に搭載することにより、消費電力の削減によりバッテリーによる動作時間を増大させたモバイル機器を実現することができる。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、半導体集積回路および半導体集積回路を搭載した電子情報機器の分野において、スタンバイモードからの復帰時間の短さや余分なコストが発生しないという点を維持したまま、スタンバイモードにおける電源電圧をこれまでの従来技術よりもさらに下げることでリーク電流を抑え低消費電力動作を実現した半導体集積回路を提供できるものであり、携帯電話やノードパソコンなどのバッテリー駆動のモバイル機器の分野において有用なものである。
100、200:半導体集積回路
101、201:電源供給回路
102:水晶発振子
103:モード切替通知出力端子
104:電源安定通知入力端子
105a、105b、105:スタンバイ解除要因入力端子
106:プロセッサ
107:スタンバイ解除要因検出回路
108、208:モード切替回路
109:発振停止・解除回路
110:PLL停止・解除回路
111:PLL回路
112:クロックジェネレータ(CG)
113:各種機能ブロック
100a〜100c、114、115、101a〜101c:端子
300:スタンバイ解除要因選択レジスタ
301a、301b、301:スタンバイ解除要因選択回路(ANDゲート)
302a、302b、302:スタンバイ解除要因選択回路(非同期セット付レジスタ)
303:スタンバイ解除要因生成回路(NORゲート)
400:スタンバイモード移行切替レジスタ
401:スタンバイモード切替信号制御回路(非同期リセット・セット付FF)
500:発振停止信号生成回路(非同期リセット・セット付FF)
501:発振停止信号生成回路(ANDゲート)
502:発振停止回路(NANDゲート)
600:PLL解除時間計測回路(カウンタ)
601:PLLイネーブル信号生成回路(ANDゲート)

Claims (10)

  1. 複数の内部回路を備え、該複数の内部回路のうちの主要なコア回路がシステムクロックに基づいた動作を行う通常動作モードと、該コア回路の動作電圧を、該通常動作モードでの動作電圧より低いスタンバイ電圧まで低下させるスタンバイモードとを有する半導体集積回路であって、
    該コア回路の動作モードを、該通常動作モードと該スタンバイモードとの間で切り替えるモード切替回路と、
    該モード切替回路に該スタンバイモードを解除するよう指示するスタンバイ解除回路とを備え、
    該モード切替回路及び該スタンバイ解除回路を、該スタンバイ電圧により該システムクロックとは非同期で動作するよう構成し、
    該スタンバイモードでは、該コア回路の動作電圧を該システムクロックに基づいた動作の限界以下のスタンバイ電圧まで低下させる、半導体集積回路。
  2. 請求項1に記載の半導体集積回路において、
    前記モード切替回路から出力されるモード切替を指示するモード切替信号を外部の電源供給回路に出力するモード切替通知出力端子部を有し、
    該モード切替通知出力端子部は、前記スタンバイ電圧で動作する閾値電圧の低いトランジスタを含む、半導体集積回路。
  3. 請求項2に記載の半導体集積回路において、
    前記モード切替通知出力端子部は、前記複数の内部回路に動作電圧を供給する前記電源供給回路に接続されており、
    該電源供給回路は、前記コア回路に、前記動作電圧として前記動作モードに応じたコア電圧を供給するとともに、前記複数の内部回路のうちの該コア回路以外の内部回路に、前記動作モードに関係なく一定電位の動作電圧を供給する、半導体集積回路。
  4. 請求項2に記載の半導体集積回路において、
    前記電源供給回路が、前記モード切替通知出力端子からスタンバイモード解除の指示を受けた後、前記コア電圧を前記スタンバイ電圧から前記通常動作モードでの動作電圧まで上昇させたときに出力する電圧安定化信号を入力するための端子を備えた、半導体集積回路。
  5. 請求項4に記載の半導体集積回路において、
    前記システムクロックの基準となるクロック信号を生成する発振子の発振停止および停止解除を制御する発振停止解除回路を有し、
    該発振停止解除回路は、前記モード切替回路からのモード切替信号に基づいて、該発振子の発振が停止するよう該発振子を制御し、前記電源供給回路からの電圧安定化信号に基づいて、該発振子の発振が再開されるよう該発振子を制御する、半導体集積回路。
  6. 請求項1に記載の半導体集積回路において、
    前記複数の内部回路は、前記コア回路として、種々のデータを記憶するメモリ回路を含み、
    前記スタンバイ電圧は、該メモリ回路でのデータの記憶状態が保持される限界以上の電圧である、半導体集積回路。
  7. 請求項1に記載の半導体集積回路において、
    前記スタンバイ解除回路は、
    複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因に応じて、前記モード切替回路に前記スタンバイモードの解除を行うよう指示するものである、半導体集積回路。
  8. 請求項7に記載の半導体集積回路において、
    前記スタンバイ解除回路は、
    前記複数のスタンバイ解除要因の各々に対して、それぞれのスタンバイ解除要因を有効とするか無効とするかに応じた値を設定するための複数の設定領域を有する選択レジスタを備え、
    該選択レジスタの設定領域に設定された値によって、該複数のスタンバイ解除要因のうちの所定のスタンバイ解除要因を、該所定のスタンバイ解除要因によるスタンバイモードの解除が行われることがないようマスクする、半導体集積回路。
  9. 請求項1に記載の半導体集積回路において、
    前記コア回路を制御するプロセッサを有し、
    前記モード切替回路は、該プロセッサからの指令信号に基づいて、前記コア回路の動作モードを、前記通常動作モードから該スタンバイモードに切り替える、半導体集積回路。
  10. 請求項1に記載の半導体集積回路を備えた電子情報機器。
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