功能模块级多阈值低功耗控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要设及到大规模集成电路设计领域，特指一种功能模块级多阔值低功耗 控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着工艺技术的不断提高，目前的超大规模集成电路设计已进入深亚微米阶段， 特征尺寸的降低，必然会带来MOS器件的阔值电压的降低，使得电路的漏电流随着特征尺 寸的降低而呈指数形式上升，直接造成了电路漏电流功耗迅速增加。由漏电流带来的静态 功耗已经不能被忽视。
[000引工作在GHz范围内的系统，其功耗达到了几十W，甚至是几百W W上。过大的功耗 带来了一系列的问题，已成为超大规模集成电路发展的一个重要障碍。高的功耗导致了巧 片温度的高温。工作温度的升高不仅使电路的各种物理缺陷所造成的故障显现出来，而且 高的工作温度使电路的连线电阻变大，线延时增加，导致严重的时延故障。同时，工作温度 的升高将导致漏电流的增大，使巧片内部的工作容易失效，寿命缩短等。该些最终导致了电 路的可靠性。有研究表明，温度每升高l0°C，器件的故障率就提高2倍。
[0004] 低功耗设计技术贯穿于从系统级到器件（工艺）级的整个数字系统设计过程。集 成电路设计的层次可W划分为W下几个层次；系统级、功能级（行为算法级）、寄存器传输 级（结构级）、口级（逻辑电路级）、版图级（物理级）。
[0005] 触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，触发器消耗的功耗约占整个巧片的 15%~45%，针对现在时钟频率越来越高的现象，触发器的功耗比重在整个巧片中也越来 越重，减少触发器的功耗，已经成为整个巧片设计的必备要求。
[0006] 现在工艺技术发展到深亚微米阶段，漏电流带来的静态功耗己经成为不可忽视的 功耗。降低漏电流功耗就是要降低漏电流。漏电流主要包括亚阔值漏电流、pn结反相漏电 流和击穿电流等。而其中的亚阔值漏电流是漏电流的最主要部分。当前电路设计中，针对 功能模块级的低功耗技术已提出了几种方法。
[0007] 1、口控时钟法。口控时钟法是对暂时不用的功能模块，将其时钟信号关断，时钟信 号呈现一固定电平。此方法的优点是实现简洁，但管控的粒度较粗，是一刀切的思想，因此 仍有功耗再降低的余量。
[000引2、降频工作法。降频工作法是对暂时不用或不需要全频运行的的功能模块，将其 工作频率降低，W减少开关的活动性，从而达到降低功耗的目的。该方法属于系统级降低功 耗的方法。
[0009] 3、寄存器双边沿采样法。寄存器双边沿采样法是采用专口的双边沿采样寄存器， 可使寄存器的工作频率减半，而性能不受影响。单一采用该种方法，能达到一定的降耗效 果，但还是不够彻底，仍有较大的降耗空间。
[0010] 4、直接断电法。直接断电法是对较长时间不用的功能模块，同系统级低功耗管理， 直接将其电源关断。该方法降耗虽彻底，但对某些功能模块要重新启动却要花费较长的时 间。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题就在于；针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、能够有效进行低功耗控制、降低电路动态功耗的功能模块级多阔值低功耗控 制装置及方法。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案：
[0013] 一种功能模块级多阔值低功耗控制装置，包括：
[0014] 移位器，用作功能模块的找数移位；它为一个n位的移位寄存器，有6个输入信号 和n个输出信号；6个输入信号分别是；2位的初始数据输入Vddl，Vdd2, 2个移位器功能控 制信号cO, cl，1个异步复位信号reset, 1个时钟信号clk_in ;n个输出信号是移位器的计 数值2°，21，…，2^，n值的大小取决于功能模块的找数；
[0015] cO, cl产生电路，作为移位器的功能控制模块；它是一个时序数字电路，在时钟 clk_in的控制下，依据当前的输入值，分别进入打入、移位或保持状态；
[0016] 低功耗判决电路，用来生成低功耗控制信号；即，根据当前该功能模块的运行动 态，可分别对每一级找进行低功耗睡眠控制；
[0017] n个多阔值低功耗时钟驱动控制器，每个多阔值低功耗时钟驱动控制器具有2个 输入端和2个输出端；2个输入端是；对应该找的低功耗睡眠信号slpi，1个时钟信号clk_ in ;2个输出端是对应该找的时钟信号clk_outi和nclk_out i;当对应找进入低功耗睡眠状 态时，时钟信号也停止工作，处于固定电平。
[0018] 作为本发明的进一步改进；所述cO, cl产生电路具有4个输入信号和2个输出信 号；4个输入信号分别是；系统要求该功能模块工作的工作信号work,低功耗判决电路生成 的该功能模块空闲信号，1个异步复位信号reset, 1个时钟信号clk_in ;2个输出信号是： 移位器的功能控制信号cO, cl。
[0019] 作为本发明的进一步改进；所述低功耗判决电路具有n个输入信号和n+1个输出 信号；n个输入信号是：移位器的输出值2°，2\…，2w;n+l个输出信号是；n个找的低功耗 睡眠信号slPi，S1P2，…，sip。和sip ;所述低功耗判决电路根据当前该功能模块的运行动 态分别对每一级找进行低功耗睡眠控制；当Slpi，S1P2,…，sip。都为高电平"1"时，sip才 为"1"。
[0020] 作为本发明的进一步改进；所述多阔值低功耗时钟驱动控制器包括低功耗控制 电路，所述低功耗控制电路具有一个输入端和两个输出端，输入端为slPi，为低功耗控制信 号，高有效；输出端为sleep、nsleep，为睡眠和睡眠的非；所述低功耗控制电路包括一个两 级的反相器，第一级的反相器由P1 PM0S管和N1 NM0S管组成，其栅极连接slp，输出作为低 功耗控制电路的一个输出端nsleep ;第二级的反相器由P2 PM0S管和N2 NM0S管组成，其 栅极连接nsle巧，输出作为低功耗控制电路的另一个输出端sleep;PlPM0S管和P2PM0S 管的衬底连接电源Vdd，源极连接电源Vdd ;N1 NM0S管和N2 NM0S管的衬底接地Vss，源极 连接地VsS。
[0021] 作为本发明的进一步改进；所述多阔值低功耗时钟驱动控制器包括多阔值低功耗 时钟驱动控制器本体，所述多阔值低功耗时钟驱动控制器本体包括：
[002引 G1电路，为伪反相器电路，由低阔值PMOS管LPl，低阔值NMOS管LNl，高阔值NMOS 管M和高阔值NM0S管N5组成，低阔值PM0S管LP1，低阔值NM0S管LN1的栅极连接时钟 clk_in，高阔值NMOS管M是二极管连接方式，栅与源极连接在一起，源极连接Vdd，高阔值 NMOS管N5的栅极连接nsleep，源极连接Vss ;G1电路的输出连接G2电路，G3电路，G4电 路相连；
[002引 G2电路，为伪反相器电路，由低阔值PM0S管LP2,低阔值NMOS管LN2,高阔值PM0S 管P4,高阔值NMOS管N6组成，低阔值PM0S管LP2,低阔值NMOS管LN2的栅极连接G1电路 的输出，高阔值PM0S管P4的栅极连接sleep,高阔值NMOS管N6的栅极连接Vdd，G2电路 的输出是clk_out ;
[0024] G3电路，为两级传输口电路，由高阔值PMOS管P5,高阔值NMOS管N7组成，G3电 路的输出作为G2电路，G4电路的输入；
[0025] G4电路，为互补传输n，由低阔值PMOS管LP3，低阔值NMOS管LN3，高阔值NMOS管 N8组成，低阔值PMOS管LP3的栅极接Vss,低阔值NMOS管LN3的栅极接高阔值NMOS管N8 的漏极输出，高阔值NMOS管N8是二极管连接方式，栅与源极连接在一起，源极连接Vdd，G4 电路的输出是nclk_out ;当多阔值低功耗时钟驱动控制器处于睡眠状态时，clk_out = 0， nclk_out = 1。
[0026] 本发明进一步提供一种基于上述低功耗控制装置的控制方法，其步骤为：
[0027] (1)系统复位reset之后，移位器的值为全"0"，处于保持状态；cO, cl产生电路处 于保持状态；低功耗判决电路输出全"1"，功能模块处于休眠状态；多阔值低功耗时钟驱动 控制器的输出 clk_outi为"0"，nclk_out i为"1";
[002引 似cpa;work信号有效，cO, cl产生电路处于打入状态，控制移位器打入初始值 "11 "，" 11"作为功能模块的工作窗口，此时低功耗判决电路输出slpi，slp2为低电平，功能 模块的第1找，第2找开始工作，并且提供时钟，其它找处于休眠状态；
[0029] (3)cpi;c0, cl产生电路处于移位状态，控制移位器每次移一位的操作；低功耗判 决电路输出S1P2, S1P3为低电平，功能模块的第2找，第3找开始工作，并且提供时钟，其它 找处于休眠状态；
[0030] (4) cpw;c0, cl产生电路处于保持状态，控制移位器也处于保持状态，低功耗判决 电路输出全"1"，功能模块处于休眠状态；
[003U 巧)cPi;功能模块正在工作，work信号有效，此时cO, cl产生电路处于打入状态， 控制移位寄存器的低两位同时移入两个"1"，转到第（3)步。
[0032] 与现有技术相比，本发明的优点在于；本发明的功能模块级多阔值低功耗控制装 置及方法，对于相对独立的功能模块级电路设计了一套值班电路，能动态监测模块的工作 状况，可W逐找地进行低功耗控制，逐找地关闭时钟。同时，本发明在时钟通路上采用低阔 值器件，大大降低了时钟电压的幅值，从而有效降低了动态功耗。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明功能模块级多阔值低功耗控制装置的拓扑结构原理示意图。
[0034] 图2是本发明在具体应用实例中cO, cl产生电路的控制状态机示意图。
[0035] 图3是本发明在具体应用实例中多阔值低功耗时钟驱动控制器的低功耗控制电 路的结构原理示意图。