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关断:电源管理给验证工程师出难题

Ron Wilson?? EDN执行编辑?? 2009年01月01日 ?? 收藏0

  幸运的是步骤几乎相同。首先验证电源定序器在做设计者预想的事情。但是现在这个问题更复杂了,这是因为它既涉及应用软件,也涉及硬件。在DVFS中,由于软件表明块无须为它的当前任务快速运行,因此人们可以改变块的电压。事实上,在DVFS设计方案中,排序变得如此复杂,使得设计者经常选择用微控制器或是CPU中的任务来代替状态机。这使得顺序验证变成了软件验证问题和硬件验证难题。

  其次必须验证,在电压变化时,隔离状态的块经历了正确的事件顺序。该过程可能会变得过分复杂,这是因为定序器、时钟门控电路、状态保持电路、隔离缓冲器可能全都处于不同的电压域和时钟域,并且因此受制于不同时序。elnfochips公司的Ranpura说:“例如,我们已经看到时钟门控信号被过早释放,这是由模拟器未记录的电压电平的差异导致的。”

  IBM公司的Floyd指出:当处于连接状态的块以不同电压和频率工作时,系统实际上变成了全局异步、局部同步。Floyd解释说:“我们开发了一些工具来探测异步路径,并且在它们穿越同步域时检查它们的属性。例如,我们也许会对时钟的周期时间进行调制,来验证不会发生数据丢失。并且我们对设计方案进行审核,来确保域穿越符合几种可接受的方法之一。”

  信号完整性可能也是问题。东芝公司的Krishnamorthy警告说:“这不仅仅是在所有新的角落组合确保功能行为正确。要记住串扰会随电压而变化。”因此,作为信号起源的块处于低压时,信号也许不是干扰源。但是,如果这个块以高压和高频运行,并且信号穿越一个处于关闭状态的块,那么它也许会变成一个严重问题。

  系统方法

  在电源管理型设计方案验证期间需要检查的内容细节似乎无穷无尽。但是许多专家强调的一件事情是,必须把设计方案作为一个系统来验证,而不是作为一些处于隔离状态的块。特别是在可能拥有多种信号电平和异步时钟域的电源门控型设计方案和DVFS设计方案中,许多关键问题并非出现在块内,而是出现在块之间。因此,验证团队必须在不同的功率和频率组合检查块之间的互动。

  CPF、UPF等新兴工具可帮助在全芯片级别记录这些复杂情况,但它们既未全面兼容常用工具,也未被设计团队全面运用。例如,IBM公司就使用自己的内部工具在验证期间给域制作标签和检验标签,以便了解系统的电源状态并使其保持一致。

  电源管理甚至在体系结构级别也在带来变化,来使验证更加可行。NXP公司负责业务线标准IC与微控制器的系统/体系结构/应用经理Rob Cosaro表示:“我们的逻辑设计层次是基于功能块,而物理层次是基于实施。但是我们在越来越多地运用第三种层次,它基于时钟域和电压域。电源管理实际上是在定义另一种层次。”并且从体系结构设计阶段就明确这种层次,对于成功验证而言是最重要的因素。


  附文:电源管理器:为节能打基础

  在节能要求变得日益严格的同时,逻辑电路中出现了许多节省有功功率和泄漏功率的方法。人们经常会发现某个设计方案的不同部分使用了多种方法。以下简要介绍这些方法。

  时钟门控

  时钟门控是最早的降低动态功率方法之一。它可能会增加静态功率,这是因为时钟门控单元需要快速运行,并且设计者经常用大型低阈值晶体管来实现它们。该方法简单地关闭电路的各个不工作部分的时钟。

  设计者最初在块级别运用时钟门控时,是把它作为待机模式创建方式。最近,设计者采用了粒度精细的时钟门控,深入到各个锁存器级别。在锁存器数据不变的周期,控制电路能简单地决定不发出时钟脉冲。IBM公司电源系统部能量管理首席设计师Michael Floyd说:“我们看到一些设计者把时钟门控用作锁存器上的保持抽头。” 因此,粒度精细的时钟门控方案可能会变得极度复杂。

  电压岛

  如果一些块可能会比另一些慢,那就可在较低频率运行较慢的时钟,并降低电源电压,直到这些块刚好满足时序。该方法也是早期方法之一,比粗粒度的时钟门控略微复杂一些,特别是在对时序收敛的影响方面。

  电源门控

  电源门控需要关断块的电源电压,来停止静态和动态功耗。该方法比听起来更复杂。必须确保在电源关闭期间,块不需要工作。还必须处理状态,包括是否在电源关闭期间保存状态、保存于何处、如何恢复它。它也许还需要确定如何安排断电和通电周期的顺序,以及是否可期望块足够早地工作,以便执行通电顺序。在电源过渡期间,还必须把块与周围电路隔离开来。

  DVFS

  DVFS(动态电压频率调整)是电压岛和电源门控的组合:人们临时调整每个时钟的电压和时钟频率,使得它刚好满足当前任务的最后期限。该方法需要能够逐块对时钟执行调制,以相同粒度动态改变电源电压,并确保在切换到新的工作点时,不会发生意外。它需要人们相当详细地了解应用的性能要求。并且整块芯片在每个合法的块工作频率组合均须满足时序。

  DTVC

  在DTVC(动态阈值电压控制)中,人们动态控制各组晶体管的阈值电压,由此选择一个泄漏功率与速度相对点,它刚好符合此刻对路径的要求。这种方法很有效,但它需要半导体工艺具有一些特殊结构。目前它都是定制设计,主要由很少的几家先进处理器厂商使用。


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