JPH10149237A - 半導体回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池の残量や負荷の状況に応じて半導体の消
費電力を制御し、携帯電子機器の使用時間を長くするこ
と。 【解決手段】 通常は、命令記憶手段２に記憶した機械
命令Ｉを命令復号手段４で復号し、機能ユニット５で演
算処理を行うが、復号した機械命令２が予め決められた
消費電力制御用の命令である場合、半導体外部から入力
した電圧を変圧して半導体内部の各回路に供給する電圧
制御手段７と、半導体内部の各回路にクロック供給する
クロック発生手段６とを制御して動作電圧およびクロッ
ク周波数を変化させる。このようにプログラムから消費
電力を制御する手段を設けることで、きめ細かい消費電
力制御を行うことを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、本発明は、携帯用
電子機器などにおいて使用される消費電力制御機能を備
えた半導体回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、ラップトップコンピュータ等
の電池を電源とする携帯用電子機器においては、動作可
能な時間を長くするために、消費電力を出来るかぎり減
らすことが必要である。このため、従来から携帯用電子
機器の動作状態を、携帯用電子機器自体のオペレーティ
ングシステムにより監視して、たとえば、キーボードか
らの入力が一定時間以上無かった場合には、携帯用電子
機器が待機状態にあると判断して、携帯用電子機器を低
消費電力モードで動作させることが行われている。

【０００３】従来、このオペレーティングシステムによ
り半導体の消費電力制御を行う手段として、いくつかの
方法が提案されてきた。一般に、ＣＭＯＳ ＬＳＩの消
費電力は充放電電流と貫通電流とリーク電流の和で求め
ることができるが、中でも充放電電流が全体の約８０％
を占めると言われている。この充放電電流による消費電
力（Ｐ）は、単位時間当たりのスイッチング回数（ｎ）
×容量（Ｃ）×電圧の２乗（Ｖ＾２）×周波数（ｆ）に
比例することから、オペレーティングシステムから可能
な制御としては、ハードウェアの不必要な動作を抑制す
るか処理速度を低下させるかのいずれかが行われて来
た。

【０００４】具体的には、まず１つ目の方法として、た
とえば、特開平７−１０５１７４号公報に記載されてい
るようなゲーテッドクロック（Ｇａｔｅｄ Ｃｌｏｃ
ｋ）方式と呼ばれる手法がある。これは、データ保持用
のレジスタのクロック入力信号経路にアンド素子を挿入
し、イネーブル信号によりクロック信号の伝搬をオン／
オフする方式であり、新たにデータを保持する必要がな
い時に、レジスタのスイッチングを行わないようにす
る。これを用いて、一定の期間だけ使用しないことが予
めわかっている回路ブロックについて、クロックを入力
しないことで回路の不必要なスイッチング動作を停止さ
せて消費電力の低下を図っている。

【０００５】ゲーテッドクロック方式の回路をプログラ
ムで制御するためには、アンド素子に入力するクロック
の制御信号を専用の制御レジスタなどから供給するよう
にし、専用の命令あるいはデータ転送命令により制御レ
ジスタをセット／リセットすることで実現できる。

【０００６】２つ目は動作周波数を制御する方式であ
り、電池の残量や負荷の状況に応じてクロック発振器の
出力する周波数を切替えることで消費電力を制御する。
このクロック発振器としては、異なる周波数を発生する
クロック・ジェネレータの出力を選択する方法、ＶＣＯ
（電圧制御発振器）を用いる方法などがある。また制御
の方法として、第１の方法と同様に、命令あるいはデー
タ転送命令を用いて制御レジスタのフラグを設定するこ
とで、任意の周波数を発振することが可能となる。

【０００７】さらに３つ目の方法として、特開平５−２
１０４３３号公報に記載されているような消費電力制御
用の専用回路を設けて、システムを構成する各半導体の
電圧を個々に制御する方法がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た１つ目の方法、すなわち、ゲーテッドクロック方式で
は、回路動作のオン／オフの制御しかできないため、負
荷の状況に応じて処理能力を随時変更することは困難で
あった。

【０００９】２つ目の方法、すなわち、動作周波数を制
御する方式であれば、この問題は解消されるが、電圧の
２乗が消費電力に比例することから、周波数の制御だけ
では低消費電力化は不十分であった。

【００１０】さらに、電圧の制御を行えるようにしたの
が３つ目の方法であるが、これは電力制御用の回路を専
用に設けて、システムを構成する各ブロック単位で電圧
や周波数を制御するものであるので、ハードウェア量が
増加するという問題があり、また、アプリケーション・
プログラムと電力制御用のプログラムが独立に動作する
ことから、同一アプリケーション中での負荷の状況に応
じて、きめ細かく電力消費を抑えることが困難である問
題を有していた。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑み、簡易なハード
ウェアでアプリケーションプログラムから半導体回路の
電力消費量を制御することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決する第
１の発明は、機械命令を記憶する記憶手段と、前記記憶
手段に記憶した機械命令を復号して制御信号を出力する
命令復号手段と、前記命令復号手段の出力する制御信号
を保持する制御信号保持手段と、前記制御信号保持手段
の出力する制御信号に依り出力電圧を制御する電圧制御
手段と、前記制御信号保持手段の出力する制御信号に依
りクロック出力の周波数を制御するクロック発生手段と
を備えた半導体回路によって構成される。

【００１３】第２の発明は、前記機械命令が、電圧と動
作周波数を制御するために予め定められた機械命令であ
る半導体回路によって構成される。

【００１４】第３の発明は、前記機械命令が、データ転
送命令である半導体回路によって構成される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体回路の実施
例について、図面を参照しながら説明する。 ［実施の形態１］図１は、本発明の半導体回路の第１の
実施例を示すブロック図である。

【００１６】半導体回路１は、消費電力の制御を指示す
るための特定の機械命令Ｉがその他の機械命令と共に書
き込まれた命令記憶手段２と、この命令記憶手段２に対
してアドレスを指定するプログラムカウンタ等のアドレ
ス指定手段３と、命令記憶手段２に書き込まれている複
数の機械命令を順次読み出して命令を復号し制御信号を
出力する命令復号手段４と、出力された制御信号に応じ
て所定の演算処理が行われる機能ユニット５と、この機
能ユニット５等に対して可変周波数のクロックを供給す
るクロック発生手段６と、半導体回路１の外部から供給
された電圧を変圧して機能ユニット５等に対して供給す
る電圧制御手段７とを備えている。この半導体回路１
は、１枚の基板の上に半導体回路集積回路として形成さ
れている。また、命令記憶手段２に書き込まれる機械命
令は、ユーザが使用するアプリーションプログラム毎に
異なったものとされる。

【００１７】命令復号手段４には、命令記憶手段２から
読み出された機械命令が、消費電力の制御を指示するた
めの特定の機械命令Ｉであったときに、前記クロック発
生手段６と電圧制御手段７の動作を制御するための制御
信号が書き込まれる制御レジスタ４ａを備えている。ま
た、機能ユニット５は、クロック発生手段６からのクロ
ック及び電圧制御手段７からの動作電圧に応じて、通常
モードと省電力モードのいずれかで動作する。なお、通
常モードとは、機能ユニット５を最大限の能力で動作さ
せるために、クロック発生手段６からの規定の周波数の
クロックが出力され、電圧制御手段７から規定の動作電
圧が出力される状態を意味する。また、省電力モードと
は、機能ユニット５における消費電力を低減するため
に、クロック発生手段６からのクロックの周波数及び電
圧制御手段７からの動作電圧の一方又は両方を低下させ
て動作させる状態を意味する。

【００１８】次に、図１に示す半導体回路の動作につい
て説明する。

【００１９】命令記憶手段２には実行すべき複数の機械
命令が順次書き込まれており、プログラム実行の際に
は、命令記憶手段２に書き込まれている複数の機械命令
は、命令復号手段４により順次読み取られ、その命令の
内容に応じて機能ユニット５において所定の演算処理が
行われる。命令復号手段４により読み取られた機械命令
が、消費電力の制御を指示するための特定の機械命令Ｉ
であったときには、消費電力の制御を行なうための特定
の制御信号が制御レジスタ４ａに書き込まれる。制御レ
ジスタ４ａに書き込まれた制御信号が、省電力モードを
示す制御信号である場合には、クロック発生手段６の出
力周波数が低くされると共に、電圧制御手段７の出力電
圧が低くされる。これにより、機能ユニット５における
消費電力が低減される。

【００２０】また、制御レジスタ４ａに書き込まれた制
御信号が、通常電力モードを示す制御信号である場合に
は、クロック発生手段６の出力周波数が通常の周波数ま
で上昇されるとともに、電圧制御手段７の出力電圧が通
常の周波数まで上昇される。これにより、機能ユニット
５において通常の動作が可能となる。

【００２１】通常モードと省電力モードの切り替えは、
使用するアプリーションプログラムに応じて任意の時点
で行なうことができるが、たとえば、以下のような事例
の場合に有用である。

【００２２】（１）ビデオ信号を処理する場合には高速
処理が必要であるが、その他の演算を行なう場合には、
それほどの高速処理は必要でないので、ビデオ信号の処
理の開始を指示する機械命令の直前に通常モードを指示
する機械命令を書き込み、ビデオ信号の処理の終了を指
示する機械命令の直後に省電力モードを指示する機械命
令を書き込むことにより、ビデオ信号の処理を可能とし
ながら全体の消費電力を減らすことができる。

【００２３】（２）複雑な演算を処理する場合にはユー
ザの待ち時間を短くするために高速処理が必要である
が、簡単な演算を行なう場合には、それほどの高速処理
は必要でないので、複雑な演算の処理の開始を指示する
機械命令の直前に通常モードを指示する機械命令を書き
込み、複雑な演算の最後の機械命令の直後に省電力モー
ドを指示する機械命令を書き込むことにより、ユーザの
待ち時間を長くすることなく全体の消費電力を減らすこ
とができる。

【００２４】（３）処理すべきデータの量から演算時間
を予測し、長時間を要することが予測された場合には、
通常モードを指示する機械命令を書き込むルーチンをコ
ールし、短時間で処理可能である場合には、省電力モー
ドを指示する機械命令を書き込むルーチンをコールする
ことにより、ユーザの待ち時間を長くすることなく全体
の消費電力を減らすことができる。

【００２５】（４）アプリーションプログラムの中に電
池の消耗を検出するルーチンを組み込み、電池の消耗が
検出されたら、省電力モードを指示する機械命令を書き
込むルーチンをコールすることにより、電池が消耗した
場合でも演算処理を継続して実行することができる。

【００２６】なお、上述した例においては、省電力モー
ドには、クロック発生手段６と電圧制御手段７を同時に
制御して、クロック周波数と動作電圧の両方を同時に低
下させたが、これに限定されるものでは、省電力の程度
に応じてクロック発生手段６と電圧制御手段７を順次制
御するようにしても良い。たとえば、電池が或る程度消
耗したら、最初は動作電圧を下げて、更に電池が消耗し
たら、次に、クロック周波数を下げるようにしても良
い。また逆に、最初はクロック周波数を下げて、次に、
動作電圧を下げるようにしても良い。

【００２７】図２は、クロック発生手段６と電圧制御手
段７の具体例を示すブロック図である。クロック発生手
段６は、制御レジスタ４ａからの制御データに基づいて
出力周波数が変更可能なＰＬＬ発振回路９から構成する
ことができる。また、電圧制御手段７は、制御レジスタ
４ａからの制御データに基づいて出力電圧が変更可能な
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０から構成することができる。

【００２８】図３は、クロック発生手段６と電圧制御手
段７の他の具体例を示すブロック図である。図３に示す
例においては、電圧制御手段７を構成するＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１０からの出力電圧が、クロック発生手段６を
構成するリングオシレータ１１の電源電圧として供給さ
れている。リングオシレータ１１は、閉ループを形成す
るように縦続接続された複数のインバータ１１ａ，１１
ｂ，１１ｃから構成されており、半導体回路１が形成さ
れる半導体集積回路のチップ内に、他の部分と同様な製
造プロセスにより製造される。このようにして製造され
たリングオシレータ１１は、電源電圧が低くなると、そ
の発振周波数が低下する特性を有しているので、制御レ
ジスタ４ａから省電力モードを示す制御データがＤＣ−
ＤＣコンバータ１０に供給されて、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ１０の出力電圧が低下すると、これにともなってリン
グオシレータ１１の出力周波数も低下する。図３に示す
例においては、出力電圧と出力周波数が自動的に連動し
て制御されるので、図１に示す制御レジスタ４ａからク
ロック発生手段６への制御線は不要となる。

【００２９】［実施の形態２］図４は、本発明の半導体
回路の第２の実施例を示すブロック図である。図４に示
す実施例は、基本的には図１に示す実施例と同様な構成
を有しているが、制御レジスタ８が他の機械命令から可
視なアドレス空間上に存在している点が異なっている。
なお、図１に示す実施例と対応する部分には同一符号を
付し説明は省略する。

【００３０】図４に示す実施例においては、クロック発
生手段６及び電圧制御手段７の動作を制御する制御レジ
スタ８に特定のアドレスが割り当てられると共に、命令
復号手段４の内部に命令記憶手段２のアドレスを指定す
るアドレス指定手段３とは別のアドレス指定手段４ｂが
設けられており、機械命令Ｉに含まれるアドレス情報に
より制御レジスタ８が指定される。消費電力制御を行な
う場合には、機械命令Ｉとして、消費電力制御を示す制
御信号を制御レジスタ８に割り当てられたアドレスに転
送する機械命令Ｉを命令記憶手段２に書き込んでおく。
たとえば、制御レジスタ８に割り当てられたアドレスが
ＸＸＸＸであり、消費電力制御を示す制御信号がＹＹで
あるとすると、機械命令Ｉは、アドレスＸＸＸＸの情報
と、機械命令Ｉに含まれるアドレス情報により指定され
るアドレスにデータＹＹを転送するという操作の情報を
含んでいる。

【００３１】図５は、第２の実施例におけるアドレス空
間を説明するための模式図である。図５に示す例におい
ては、たとえば、００００番地からＦＦＦＦ番地までア
ドレス空間が存在し、このアドレス空間内に、機械命令
を記憶するための命令用領域、制御レジスタ８に割り当
てられたレジスタ領域、種々のデータを記憶するための
データ領域が、互いに重ならない状態で存在している。

【００３２】プログラム実行の際には、命令記憶手段２
に書き込まれている複数の機械命令は、命令復号手段４
により順次読み取られ、その命令の内容に応じて機能ユ
ニット５の動作が制御される。命令復号手段４により読
み取られた機械命令が、制御レジスタ８のアドレスに消
費電力制御を示す制御信号を転送する機械命令Ｉであっ
たときには、機械命令Ｉに含まれているアドレスがアド
レス指定手段４ｂによりデコードされて、制御レジスタ
８のアドレスが指定されるとともに、消費電力制御を示
すデータが制御レジスタ８に転送される。これ以降の動
作は、図１に示す実施例と同様であるので説明は省略す
る。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
機械命令の一つとして消費電力の制御を指示するための
特定の機械命令を命令記憶手段に書き込むようにしたの
で、アプリーションプログラム側で動作モードを切り替
えることができ、ユーザの意図に沿った動作を行わせる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体回路の第１の実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】 クロック発生手段と電圧制御手段の具体例を
示すブロック図である。

【図３】 クロック発生手段と電圧制御手段の他の具体
例を示すブロック図である。

【図４】 本発明の半導体回路の第２の実施例を示すブ
ロック図である。

【図５】 第２の実施例におけるアドレス空間を説明す
るための模式図である。

【符号の説明】

１…半導体回路、２命令記憶手段、３…アドレス指定手
段、４…命令復号手段、４ａ…制御レジスタ、４ｂ…ア
ドレス指定手段、５…機能ユニット、６…クロック発生
手段、７…電圧制御手段、８…制御レジスタ、Ｉ…機械
命令

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械命令を記憶する記憶手段と、 前記記憶手段に記憶した機械命令を復号して制御信号を
   出力する命令復号手段と、 前記命令復号手段の出力する制御信号を保持する制御信
   号保持手段と、 前記制御信号保持手段の出力する制御信号に依り出力電
   圧を制御する電圧制御手段と、 前記制御信号保持手段の出力する制御信号に依りクロッ
   ク出力の周波数を制御するクロック発生手段とを備えて
   おり、 前記機械命令に依り前記半導体回路の動作電圧と動作周
   波数を変化させることを特徴とする半導体回路。
2. 【請求項２】 前記機械命令が、電圧と動作周波数を制
   御するために予め定められた機械命令であることを特徴
   とする請求項１記載の半導体回路。
3. 【請求項３】 前記機械命令が、データ転送命令である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体回路。