【摘要】：DMAC(Direct Memory Access Controller)是數(shù)字電路系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊。它的主要功能是在不需要處理器參與的情況下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)搬移。這使得其它設(shè)備減少了對(duì)處理器和總線的過(guò)度占用,提升了系統(tǒng)效率。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,基于IP(Intellectual Property)的設(shè)計(jì)方法極大的提高了集成電路的設(shè)計(jì)效率,縮短了項(xiàng)目周期,已經(jīng)成為芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的主流方法。DMAC作為輸入輸出系統(tǒng)中的重要組成部分,通常會(huì)以IP的形式被集成到各種SoC(System-on-Chip,SoC)系統(tǒng)中。當(dāng)前對(duì)于DMAC IP的研究主要集中在高性能、易復(fù)用這兩個(gè)方面。但是隨著移動(dòng)設(shè)備的飛速發(fā)展,功耗問(wèn)題日益突顯,低功耗也已經(jīng)成為一款成熟的DMAC IP的重要考量標(biāo)準(zhǔn)之一。本文研究的核心內(nèi)容是基于一款通用的DMAC IP,結(jié)合動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)(Dynamic Frequency Scaling)技術(shù)和門控時(shí)鐘(Clock Gating)技術(shù)制定了一種環(huán)境敏感型的時(shí)鐘自動(dòng)調(diào)控(Context Sensitive Automatically Clock Regulate,CSACR)的功耗優(yōu)化方案來(lái)對(duì)其進(jìn)行耗優(yōu)分析及優(yōu)化,以達(dá)到降低功耗的目的。首先對(duì)CMOS集成電路的功耗分析及優(yōu)化進(jìn)行研究,主要分析研究了CMOS集成電路的功耗來(lái)源以及不同抽象層次上功耗的優(yōu)化方法;然后對(duì)DMA控制器的原理及電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,主要介紹了DMA傳輸?shù)脑硪约鞍l(fā)展,對(duì)所要優(yōu)化的DMAC IP的硬件電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究介紹;接著,針對(duì)所要優(yōu)化的DMAC IP,提出了功耗優(yōu)化方案,并且根據(jù)功耗優(yōu)化方案完成了低功耗設(shè)計(jì);最后,對(duì)DMAC IP進(jìn)行功耗仿真和實(shí)際芯片功耗測(cè)試,并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,驗(yàn)證優(yōu)化效果,最終確認(rèn)該DMAC IP在空閑狀態(tài)下可節(jié)省功耗達(dá)88%以上。CSACR功耗優(yōu)化方案作為本文的創(chuàng)新點(diǎn),其主要原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)電路內(nèi)部的關(guān)鍵信號(hào)來(lái)判斷電路所處的工作狀態(tài),再根據(jù)電路所處的工作狀態(tài)來(lái)對(duì)電路時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。其優(yōu)點(diǎn)主要在于可以根據(jù)電路的工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)節(jié),功耗優(yōu)化效果明顯且對(duì)電路性能影響較小。本論文的研究成果已經(jīng)在英特爾某款基帶芯片上得到了成功的應(yīng)用,使得該芯片上DMAC模塊的功耗有明顯的降低。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN0
【圖文】：

應(yīng)用非常廣泛。當(dāng)前，移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的飛速發(fā)展使得功耗問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。因此，一款成熟的 DMAC IP 不僅要考慮其性能和復(fù)用，更應(yīng)該在其設(shè)計(jì)階段，就將功耗作為一項(xiàng)重要的考量因素。本章主要從功耗和 DMA 控制器兩個(gè)方面展開(kāi)，首先對(duì)它們的發(fā)展背景及意義進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。然后對(duì)低功耗和 DMA 控制器當(dāng)前的發(fā)展情況進(jìn)行分析，著重說(shuō)明了低功耗將成為 DMAC IP 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。本章最后給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容和文章的結(jié)構(gòu)安排。1.1 課題背景及意義戈登·摩爾是英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一，其曾提出了著名的摩爾定律： 在價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納元件的數(shù)目，約每 18-24 個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍[3]。這種趨勢(shì)已經(jīng)延續(xù)了超過(guò)半個(gè)多世紀(jì)，集成電路上的晶體管數(shù)量從最初的幾百門已經(jīng)增長(zhǎng)到了現(xiàn)在上億門，如圖 1.1 所示，Intel 處理器的晶體管數(shù)逐年增長(zhǎng)基本符合摩爾定律，從 1970 年幾千門電的路規(guī)模到 2015 年已經(jīng)發(fā)展到數(shù)十億門的電路規(guī)模。

顯著的提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率。但當(dāng)面對(duì)電路規(guī)模達(dá)百萬(wàn)門級(jí)的時(shí)候，對(duì)整路全部從編寫 RTL 代碼開(kāi)始設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的，因此基于 IP 的設(shè)計(jì)方法隨之出現(xiàn)通過(guò)對(duì)一些常用模塊的復(fù)用有效降低了芯片的研發(fā)成本，也提高了芯片流片成功率。當(dāng)今，SoC 的設(shè)計(jì)方法，都是基于大量的 IP 復(fù)用，有效的提高芯片集成度低了生產(chǎn)成本。電路設(shè)計(jì)上的一系列變革，使得設(shè)計(jì)效率不斷提高，電路的集成度不斷增大，芯片上的功耗問(wèn)題日益凸顯。當(dāng)微電子工藝進(jìn)入深亞微米，一系列功耗問(wèn)題隨之，將數(shù)以億計(jì)的晶體管集成在一塊微小的芯片上，芯片上的功耗密度將變得非常，芯片的散熱問(wèn)題，對(duì)芯片的封裝技術(shù)提出了非常巨大的挑戰(zhàn)。如圖 1.2 所示，In理器功耗密度逐年增長(zhǎng)圖，在 2015 年時(shí)，芯片上的功耗密度將超過(guò) 4000W/cm2著近些年，移動(dòng)設(shè)備的飛速發(fā)展，功耗問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越多的被業(yè)界所關(guān)注。從市角度來(lái)看，性能一樣，但功耗更低，待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)的手機(jī)明顯更能吸引到消費(fèi)者此關(guān)于低功耗方面的研究，將深刻的影響到從芯片設(shè)計(jì)到制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)塊芯片的優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能僅僅局限于性能和面積兩方面，功耗也已經(jīng)成為的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖 2.3 漏電流的來(lái)源是由 MOS 管的源（或漏）和襯底之間形成反偏二極管之間，見(jiàn)圖 2.3[3]。與溫度成指數(shù)關(guān)系，隨著溫度的增減，漏電流也會(huì)迅速增加式(2-12)： revers = · ( h1)(2-12)反向飽和電流， = · 2· ( )， th是熱電亞閾值電流電流的產(chǎn)生則是由于柵源之間的電壓接近或小于閾值電壓路而產(chǎn)生亞閾值電流[9]，見(jiàn)圖 2.4。對(duì)于亞閾值電流由如下

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本文編號(hào)：2792326