CN101263441B - 用于cmos电路总线的电源管理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路或多个电路的受控关闭，使得所述电路的电能消耗被最小化，并且每个所述电路都处于所述电路的预定状态(42；52)，在所述状态中所述电路中所有其本身的控制和消息信号被设置为0电平。要求保护的本发明涉及使得所述电路进入该预定状态(42；52)的一整套方法；其中所有所述信号和消息线被设置为0；从而在其状态被定义为关闭或者待机时降低了电子电路中的功耗。

Description

用于CMOS电路总线的电源管理

技术领域

本发明一般地涉及集成电路设计中的电源管理，更具体地说，本发明涉及用于通过在集成电路中的功能块未使用时关闭其电源来降低功耗的方法和设备。

背景技术

任何电子电路都希望具有这样的特性，在其有效工作期间以及当它关闭或者进入等待状态时其功耗被最小化。这主要地或者间歇地(例如在紧急情况期间)应用在连接至电网的电路和连接至诸如电池之类的便携式电源的电路。从电池接收电源的示例的非详尽名录包括：移动电话、个人数字分析器、便携式音乐系统、和GPS接收器。该行业正日益地寻求用于在集成电路中或者在所谓的多芯片组件(MCM)或者片上系统(SOC)内降低功耗的方法，其中提高的功能集成度和减少的接口端口数已经促进了低功耗。

除了提高的集成度，还研究了为了消除或者降低电路的动态功耗而停止时钟信号或者降低时钟信号的频率的技术。这应用于施加在电路上的时钟信号和在电路里生成的时钟信号。降低功耗的其它措施就是通过减少或者移除提供至功能电路块电源导轨(rail)的电源来移除施加到功能电路块的电源。

包括SOC和MCM的集成电路每一代的复杂性、功能性、容量和速度都在增加。当今的蜂窝电话可同样地用作视频记录器、数码相机、万维网浏览器和音乐存储装置。因此，电话中的电路包括一个或两个功能块直至几十或几百个功能块。这些块通常能够彼此独立地进行通信。于是，典型的通信网络同时包括一些开启的组件(通信电路)和一些关闭的组件。

在Francis等人在EP 1 204 017中公开的方案中，时钟控制是由控制块执行的，其决定了什么时候关闭特定的特性以及对关闭操作进行控制。由于电路和通信网络复杂性的增加，由电路来局部地确定所述电路中的块是繁忙还是空闲的能力是很难实现的，这常常会超出Francis等人的技术方案的有限控制选择。

在简单地通过移除时钟信号实现掉电(power down)的时候，将理解到它仅仅将电路保持在其最后状态并且将功率固定在该水平。电路并不需要处于其功耗被最大程度降低的状态，该状态下大部分门电路都被配置成消耗最少电源。因此，该方法的功耗在各个掉电活动之间可变。这就要求设计者采用增加的功耗并因此使电池充满电之后的计划工作时间最小化。电路的功耗进一步通过将电源电压移至电路的一部分来降低。

已知的掉电技术存在两个主要的问题。第一个问题涉及电路的功能性操作。第二个问题涉及掉电时电路的功耗。电路的功能性操作在它们通过网络、总线与其它电路一起工作时或者在功能设计块情况下用于普通协同工作时应该被特别地加以考虑。在这些情况下，功能块的工作存在协议或者规定。这样，令这种块掉电通常是指使电路的一部分而不是令实际输出端口掉电。可替换地，这种掉电包括在把电源移至其中之前一直等待直到电路没有与其它电路一起工作。但是，这两种选择都是有问题的。在第一种情况中，输出端口的功耗通常处在其余电路的功耗的数量级上或者大于该数量级。在后一种情况中，许多协议并不支持掉电，于是，支持这些协议的电路无法令其部分电路掉电。

电路掉电时的功耗同样需要考虑。虽然电路是通过电源导轨由电源供电的，但是其中的每个输入端口都会从一些输出端口获取电源。因此，施加至被掉电电路的输入端口的信号通常会产生流入未工作电路块的输入端口的电流。这种方式消耗的电源被浪费，因为它没有产生起作用的电路活动。同样要考虑的是，随着电源通过被掉电的功能块进行传递，单个功能块的输入端口上的电源会在所述功能块的输出端口产生电源，又导致在后续功能块的输入端口上产生电源，等等。此外加重这个问题的是当前电子电路的低电压工作。在低电压工作中，电路工作在低电压下，并且定义了逻辑“0”或逻辑“1”的电压之间的差别很小。

当供应至电路的一部分的电源被移除以进一步降低电路功耗时，发送至掉电电路的相关信号仍然有效，已知的是这些信号可间接地对已经掉电的电路供电。这种现象被称为无源正向偏置，并且与其类似的现象不仅增加了用于寻址功能块的控制线路的数目(这随着结构体系从8位地址增加到16位地址甚至今天的32位地址而不断增加)，并且它还减小了定义逻辑电路状态的电压之间的差别，该差别现在变得只有1伏特的若干分之一。

因此，无源正向偏置的结果就是有效输入信号会在功能块中传递并且使得功能块进入上电和掉电之间的瞬态。当试图让功能块消耗较少电源或者不消耗电源时，这就使得处于准供电状态的电路消耗电源。此外，无源正向偏置通常使得电路的掉电部分的输出地址线处于不确定的状态。由于在分布式控制系统中这些输出线是后续电路块的功能输入端口，所以掉电电路有可能触发错误决定或者活动。地址线上的电量并不是总是可以确定的，这是因为它们不仅仅取决于掉电时控制系统的特定变量，例如有效地址、时钟速度、和线路负载，还取决于实际半导体电路的制造误差。

有利的是提供一种能克服现有技术缺点的用于降低电路中的功能电路块的功耗的方法和电路。

发明内容

根据本发明，提供了一种方法，其包括：确定未使用的第一功能电路块，所述第一功能电路块包括第一输入端口；提供启动器电路，其用于将第一信号提供至所述第一输入端口；并且通过如下措施使得所述第一功能电路块掉电：切换所述启动器电路以使得所述第一信号在所述第一功能电路块掉电期间处于低电源状态，并且使得所述第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗的状态。

根据本发明的另一方面，提供了一种电路，其包括：包括第一输入端口的第一功能电路块；启动器电路，其用于将第一信号提供至所述第一功能电路块的第一输入端口；和电源管理块，其用于切换所述启动器电路以使得所述第一信号在所述第一功能电路块掉电期间处于低电源状态，并且用于使得所述第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗的状态。

根据本发明的实施例，提供了一种分布式控制系统，其包括：一簇(cluster)电路块，其中每个电路块具有时钟信号输入端口、输出端口、可寻址数据输入端口，所述块中的每个块都用于执行整个系统的局部功能的一部分并且所述簇本质上作为更大分布式控制系统的单个电路块；主机系统时钟分布电路，其耦接至多个电路块中的每一个块的本地时钟输入端口；和主机电源管理单元，其耦接至多个电路块中的每一个块，主机电源管理电路可控制地将多个电路块中的一些块独立地切换至降低了功耗的状态，其中在降低了功耗的状态中，电路块的可寻址数据输入端口和输出端口都处于低功率状态，低功率状态的功耗比各自逻辑状态的功耗低，其中电路能从单个簇到多簇掉电到不同的电平；并且，其中局部电路可根据其它相邻簇的行为来定义掉电。

根据本发明，提供了一种方法，其包括：确定包括第一输入端口的第一功能电路块；通过这样使得第一功能电路块掉电：将提供驱动输入数据信号的每个电路可控制地切换至第一功能电路块直到驱动输入数据信号处于低电源状态，并且使得第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗状态。

根据本发明，进一步提供了一种方法，其包括：确定包括多个输出端口的第一功能电路块；通过这样使得第一功能电路块掉电：可控制地切换提供输出数据信号的第一功能电路块直到输出数据信号处于低电源状态，然后使得第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗的状态。

优选地根据本发明，按照电路操作把来自功能电路块的一个或多个输出信号驱动至最低功耗状态。因此，电路所附的协议被保持，协议被遵循直到输出信号处于最低功耗状态。优选地，功能电路块的所有输出信号在功能电路块掉电之前被驱动至它们的最低功耗状态。

附图说明

现在参考附图对本发明的实施例予以说明，其中类似的标号指示类似的特征，其中：

图1是分布式控制系统的简化的层次方块图；

图2是分布式控制系统中的功能组件的示意图；

图3是分布式控制系统中用于决策树的简化的流程图；

图4是用于使得启动器或启动器适配器掉电的状态图的示意图；

图5是用于使得目标或目标适配器掉电的状态图的示意图；和

图6是用于生成时钟请求的逻辑电路的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，本发明是通过参考一个特定实施例即分布式控制系统中的控制器(DCS控制器)予以描述的。本领域技术人员可以理解的是该基本原理同样可以应用在包括非分布式系统的其它控制方法论中。还支持从硬布线到应用驱动代码的功能性的其它嵌入级。

参见图1，其中示出了分布式控制系统(DCS)的层次方块结构。在DCS系统中，存在多个功能块、主时钟生成器10、电源管理单元11、用于提供输入序列的启动器12、用于提供计算和决定的作为启动器12的目标的决定块13、和目标14，目标14的形式为用于根据计算和决定提供控制的控制块。在示例的决定电路块13中具有启动器12a、决定电路13a、和目标14a。此外，在这个层次示图中，所述决定电路13a本身是由包括启动器12b、决定电路13b、和目标14b的组件形成的。与主时钟生成器10、电源管理单元11、启动器12、决定块13、和控制块14连接的是第一控制器电路15(例如15a、15b、15c、15d)。

参见图2，当第一控制器25检测到块(例如启动器块)中的休止(inactivity)状态，那么第一控制器25使得决定块23和控制块24掉电，而启动器块22则监控活动。因此第一控制器25对用于指示电源管理单元21使这些功能块掉电的处理进行初始化。时钟电路20提供时钟信号至电路中的所有块。可替换地，可以采用多个时钟电路。

参见图3，其中示出了用于掉电操作的简化流程图。在步骤301，休止状态被检测到并且指示了休止状态电路部分的逻辑地址被设置。在步骤302，这些地址被广播或者窄播到控制器电路。在控制器电路中，其在步骤303作出初始决定从而使得电路部分掉电或者通过处理步骤309将地址复位并且将电路返回至步骤301。在决定作出的情况下，控制器进入设置地址的步骤304和试图设置所有逻辑状态为0的回路。在决定步骤305，要么进入反向回路至步骤310，要么前进至步骤306的掉电处理，例如在步骤307中移除提供至一个电源导轨或者两个电源导轨的电源。在步骤308，将掉电的部分通知给分布式系统。随后，在返回步骤301之前它在步骤311将地址线复位等等。示例性的简化流程图中的每一步都是由诸如新时钟周期请求CLOCK_REQUEST之类的触发控制的。于是对每条驱动线路的状态有了非常精确的控制从而使得控制的掉电操作产生降低了功耗的状态，这减小了由于被禁止功能块引起的寄生电流的风险。

参见图4，其示出了代表状态机的示例性高电平状态图42，其支持将例如决定块13(参见图1)中的信号驱动至低功耗状态形式的预定状态。状态机在启动器12中实现。在所述第一控制器15中，公共地址被保留用来指示与能够掉电的功能块相关的所有启动器。启动器12的示例包括键盘控制电路、麦克风控制电路、和运动检测器电路。

一旦生成CLOCK_REQUEST，例如具有高到低过渡的CLOCK_REQUEST，启动器就触发来自主时钟生成器10的时钟信号，并且从电源管理单元11获取为启动器定义的可设置掉电的公共地址。当为该地址完成获取操作之后，其在此称为图4的READ_STATE，那么在对应的数据总线上返回的数值READ_DATA_I就是启动器命令请求线路的数值COMMAND_REQUEST_I。在本示例中，读取的数值的最低有效位(LSB)的值是很重要的。可替换地，许多其它合适的方法对本领域技术人员而言是明显的。

如果COMMAND_REQUEST_I总线数值返回为0，在本示例中，那么该数值和READ_DATA_I总线都为低电平。因此，毫无疑问地，COMMAND_DONE_I(第一周期中的命令完成)信号为低电平。因此，所有线路上的总线都被设置为0并且电路启动器的输出端口上进入POWER_DOWN_STATE状态。

现在考虑这样的替换事件，READ_DATA中的获取操作执行之后READ_DATA_I总线为非0。这样，COMMAND_REQUEST_I并且无疑地COMMAND_DONE_I的当前值为高电平。于是，接口没有事先被驱动为0并且电路停留在READ_DATA回路中。这同样触发了其它的时钟请求并且另一个对该地址的读操作被执行。在新过渡的开始，COMMAND_REQUEST_I触发到低电平。这随后驱动READ_DATA_I变成低电平并且电路进入与初始回路同样的最终状态。在此，已经有两个时钟请求被用来驱动启动器进入POWER_DOWN_STATE状态了。

一旦处于POWER_DOWN_STATE状态，启动器将所有的DCS命令地址(示例包括但是不限于COMMAND_ADDRESS_I、COMMAND_MASK_I、COMMAND_READ_I和INITIAL_ID_I)驱动至低电平从而使得电路对于所有输入端口和输出端口而言处于逻辑“关闭”。提供至该启动器(或者启动器适配器)的电源优选地在目标电路掉电之前终止。

将其应用至图2所示的框图中，DCS已经将启动器22的输出端口驱动为0并且移除了提供至23的电源，这随后将23的输出寄存器驱动为低电平。如果电路23没有请求其输出端口上的计时掉电，那么由于它会读取与控制器22相同的地址，所以以上程序会同时地触发。可替换地，参见图1，这些活动潜在地将启动器12b的输出端口驱动为0并且将提供至13b的电源移除，这随后将输出寄存器13b驱动为低电平。此后，组件11b至15b的掉电使得分布式控制器考虑在13a是唯一的子电路或者其它子电路都关闭的情况下使得13a掉电。在这种情况下，电路13a在其输出端口上经历如上所述的计时掉电。可选择地，同时触发了获取与控制器12b相同的用于12的地址。

参见图5，其中示出了诸如决定块13之类的触发电路在双相结构中被驱动为0的简化状态图52。掉电操作同样是由电源管理控制器11控制的。

在目标内，单个地址取决于掉电的实现。这个地址被用于执行这样的功能，该功能类似于用于启动器的控制器内的地址的功能。为了方便，该地址被标为READ_TARGET_POWER_DOWN。当数据寻回操作在地址READ_TARGET_POWER_DOWN上执行，那么在READ_DATA上获得的数值就是读数据总线上的当前值，其逻辑上唯一地与最后记录并存储的READ_DATA值进行OR运算。如从事控制结构方面的技术人员所意识到的那样，这是可通过例如读数据总线来扩展的，读数据总线用来与其它诸如COMMAND_RETRY(其中总线显示为忙)、COMMAND_ERROR(其中地址是不完整的)、甚至COMMAND_SELECT之类的分布式控制地址结合使用。这些类似地唯一地在地址的2、1、或0位上进行0R运算。因此，当RETRY为高电平时，RETRY请求被返回并且总线被读取。同样地，当ERROR的当前值为高电平，那么ERROR被通知并且地址值被重新计时(re-clock)至寄存器。

例如，如果READ_DATA总线上用于目标的当前值为0x0505，那么RETRY为低电平，ERROR信号为高电平，而SELECT信号为低电平。READ_TARGET_POWER_DOWN地址上的读操作返回数值(0x0505|0x0|0x8|0x0)＝0x050D。当执行XOR运算时，0x0008(0x050D^0x0505)被驱动至ERROR信号触发(toggle)的DATA线。被SELECT信号影响的位在每个连续读操作下改变并且在0、1、和2位之间转换。

如果在开始时DATA的数值是0x00000505而CLOCK_REQUEST信号为低电平，那么状态机进入READ_FIRST状态。在这种状态下，读操作在地址READ_TARGET_POWER_DOWN上执行。在本示例中，RETRY和ERROR信号为高电平而SELECT信号为低电平。驱动至DATA的数值是((0x0505|0x18)^0x0505)，以ERROR信号和RETRY信号指示了错误和重试。启动器检测到读数据为0x051D(0x0505|0x18)。错误和重试的信号发送使得ERROR信号和RETRY信号触发为低电平。此外，SELECT信号保持低电平。

状态机返回至READ_AGAIN状态并且执行另一个读操作。在该读操作的开始，SELECT信号触发为高电平。假设SELECT信号应该作用的是指示0位的转换位选择，那么读数据被设置为0x0019(0x0018|0x01)。这就使得0x0001被驱动至DATA线(0x0019^0x0018)。由于读取数值(0x0019)不同于先前的读取数值(0x0018)，于是状态机保持在READ_AGAIN状态并且执行另一个读操作。

在读操作的开始，SELECT信号转变成低电平，并且1位是被作用的位。读取数值是0x0001，它是根据与来自SELECT信号的0x0进行XOR运算的DATA数值得到的。这使得DATA被驱动成全0(0x0001^0x0001)。状态机比较0x0001至0x0019，记下差，保持在READ_AGAIN状态并且执行另一个读操作。这个读操作使得SELECT信号转变成高电平，而2位被修改。读取数值为0x0000|0x4＝0x0004而DATA被驱动成0x0004。状态机再次将其与最后读取的值比较并且检测到差(0x0004/＝0x0001)，状态机保持在READ_AGAIN状态并执行另一读操作。SELECT信号转为低电平，而读取的数据是(来自DATA的)0x0004。这使得DATA被驱动至0x0000。状态机检测到同样的数据被连续读取两次，于是转入POWER_DOWN状态。

该方法对SELECT、RETRY、和ERROR信号的任何起始值以及DATA线上的任何起始值都起作用。也就是说，在POWER_DOWN状态之前会发生2个读操作至5个读操作的示例处理。按照处理器速度，这些时钟周期是相当短的时间段。由于所有的线路都被驱动成0，电源管理单元11执行操作来停止电源导轨至该功能电路的供电。

以上实施例中描述了CLOCK_REQUEST(参见图6)。例如，CLOCK_REQUEST通过公共接口与图1中的控制器10作用。当控制器10决定使得特定的电路块或者电路的一部分掉电时，POWER_MANAGEMENT位在电源管理单元11内被设置。在为DCS网络提供的示例中，所述公开在何时网络被认为准备好掉电——没有需要完成的其它处理。因此，掉电典型地在休止期间被执行。当休止状态还没有出现时，本领域技术人员将认识到，在实施本发明的方法之前执行其它动作。参见图6，当CLOCK_REQUEST信号为高电平时，它指示了时钟被要求——也就是说电路组件还没有准备好掉电。

如果CLOCK_REQUEST未被发出，那么功能块已经准备好掉电了。根据DCS规范，当COMMAND_REQUEST_I和COMMAND_DONE_I线是等同的逻辑时，这种处理的完成被认为是完成了。因此，XOR运算或者XOR门定义了是否为特定电路块保留处理。每个启动器将第N个电路的REQUEST地址和DONE地址进行XOR运算，并随后与倒相的POWER_MANAGEMENT位进行OR运算。

对于本领域技术人员而言，明显的是，提供用于分布式控制系统的示例也可在其它网络中实现，并且不同协议和命令结构也适合于该规范。优选地，在实现时，实现能够将输出端口快速地切换至低电源状态并且同时能兼容不同的协议和网络。

在以上描述中的电路块的定义是非详尽的。对于本领域技术人员而言，明显的是，将输入地址线提供至另一个电路块的电路块实际上本身就可以具有输入地址线。于是，所述块可根据上述示例连接在替换的结构中，但是它们还是可以被在掉电时实现最小功耗所控制。此外，从事DCS的组件之间的接口技术的技术人员可以理解的是，虽然其中一系列数据线被称为输入线，它们同样地也可以是输出线，并且甚至可以根据全局协议定义和系统的特定实施用作双向读写线路。

在不脱离本发明精神和范围的情况下可以设计出大量其它实施例。

Claims (17)

1.一种电路中的电源管理方法，其包括：确定未工作的第一功能电路块，所述第一功能电路块包括第一输入端口；提供启动器电路，其用于将第一信号提供至所述第一输入端口；并且利用电源管理单元通过如下措施使得所述第一功能电路块掉电：切换所述启动器电路以使得所述第一信号在所述第一功能电路块掉电期间处于低电源状态，确定每个将能够寄生地对所述第一功能电路块内的装置供电的驱动输入信号提供至所述第一功能电路块的电路；并且切换所述每个将驱动输入信号提供至所述第一功能电路块的电路以使得从所述每个电路提供至所述第一功能电路块的每个驱动信号在所述第一功能电路块掉电期间都处于低电源状态，并且使得所述第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗的状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一信号是提供至所述第一功能电路块的与用于所述第一功能电路块的掉电命令无关的信号。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一功能电路块用于实现通信协议的至少一部分，根据通信协议的要求进行切换。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述通信协议包括两相数据传输协议。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述启动器电路的切换被执行以使得从所述启动器电路提供至所述第一功能电路块的每个信号在所述第一功能电路块掉电期间都处于低电源状态。

6.如权利要求1所述的方法，其包括：切换所述第一功能电路块以使得从所述第一功能电路块提供的每个输出信号在所述第一功能电路块掉电期间都处于低电源状态。

7.如权利要求1所述的方法，其中切换总是可以执行两个至五个读操作。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一功能电路块是能够掉电的功能电路块的一部分，当所述功能电路块掉电时所述第一功能电路块掉电。

9.如权利要求1所述的方法，其中在将可寻址状态设置成最低功耗之后，供应至电源导轨的电源随之减少，因此移除了对所述电路块电路的偏置。

10.一种电路，其包括：包括输入端口的第一功能电路块；启动器电路，其用于将第一信号提供至所述第一功能电路块的输入端口；和电源管理块，其用于切换所述启动器电路以使得所述第一信号在所述第一功能电路块掉电期间处于低电源状态，并且用于使得所述第一功能电路块掉电以使之进入降低了功耗的状态，其中所述电源管理块包括对这样的每个电路进行切换的装置，所述每个电路用于将能够寄生地对所述第一功能电路块内的装置供电的驱动输入信号提供至所述第一功能电路块的输入端口，所述切换用于使得由所述每个电路驱动的信号被切换至低电源状态。

11.如权利要求10所述的电路，包括：检测电路，用于检测不进行基本操作的电路，所述电路形成了所述第一功能电路块。

12.如权利要求10所述的电路，包括用于根据数据通信协议进行通信的装置。

13.如权利要求12所述的电路，其中所述数据通信协议包括两相数据传输协议。

14.如权利要求10所述的电路，其中所述第一信号不是被所述电源管理块驱动的信号。

15.如权利要求10所述的电路，其中所述电源管理块包括寻址装置，用于对电路寻址以对其进行切换从而使得由该电路驱动的信号被切换成低电源状态。

16.如权利要求10所述的电路，其中所述电源管理块包括对这样的每个电路进行切换的装置，所述每个电路把能够寄生地对所述第一功能电路块内的装置供电的驱动输入信号提供到所述第一功能电路块的输入端口，所述切换使得驱动输入信号被切换至低电源状态。

17.如权利要求10所述的电路，其中所述电源管理块包括控制装置，其用于切换所述第一功能电路块从而使得受其驱动的输出信号被可控制地切换至低电源状态。

Images