本文關(guān)鍵詞：基于低功耗優(yōu)化技術(shù)的16位MCU設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,MCU在微控制系統(tǒng)當中的應(yīng)用不斷拓展,微控制系統(tǒng)尤其是便攜式測量系統(tǒng),對MCU的功耗要求越來越嚴格。隨著集成度和速度的提高,MCU的處理功能和性能不斷提升,MCU的功耗成為限制應(yīng)用的主要問題,因此如何有效降低功耗己經(jīng)成為設(shè)計中面臨的主要問題。論文的主要研究工作為:將低功耗優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到MCU設(shè)計當中,并給出了一款超低功耗MCU芯片SH6601的低功耗設(shè)計過程。首先,論文對數(shù)字集成電路功耗的來源和針對不同來源采取不同的優(yōu)化方法進行了研究,分別從系統(tǒng)級、算法級、寄存器傳輸級、邏輯門級、版圖級以及電路級分析了低功耗的優(yōu)化方法,并選用合適的優(yōu)化方法,將其應(yīng)用到MCU的設(shè)計之中;其次,論文給出了MCU的系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊的低功耗設(shè)計,涵蓋了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)軟硬件劃分、芯片時鐘技術(shù)、DMA控制器設(shè)計以及操作數(shù)隔離技術(shù)等,設(shè)計并驗證了采用低功耗技術(shù)的模式控制器和時鐘控制器;最后,論文對采用不同優(yōu)化手段前后芯片的功耗進行了對比,其中包括采用門控時鐘前后功耗對比,采用操作數(shù)隔離前后功耗對比,以及采用軟硬件實現(xiàn)CRC的功耗對比,并給出了不同模式下芯片實測功耗。芯片設(shè)計的主要研究結(jié)果為:1.對MCU系統(tǒng)架構(gòu)進行了研究。針對MCU設(shè)計要求,采用具有哈佛結(jié)構(gòu)及流水線結(jié)構(gòu)的80251內(nèi)核,集成了硬件隨機數(shù)發(fā)生器以及硬件DES加解密電路,具有高整合度、高抗干擾性、高可靠性和超低功耗的特點;為了提高程序運行速度,支持在RAM中運行程序,并集成中斷與復(fù)位控制器使CPU能夠及時響應(yīng)不同情況。2.對工作模式控制器與時鐘控制器進行了研究。針對工作模式控制器,根據(jù)不同應(yīng)用場合設(shè)計了三種工作模式:Active模式、Idle模式、Low power模式,可按應(yīng)用場合來選擇工作模式使得功耗最低;針對時鐘控制器,根據(jù)應(yīng)用情況與芯片性能要求選擇了最高16MHz時鐘模塊與32KHz晶振,實現(xiàn)了系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定輸出與無毛刺切換。3.對低功耗優(yōu)化方法的優(yōu)化效果進行了研究。通過仿真初步驗證了低功耗優(yōu)化方法在MCU設(shè)計當中對功耗的影響,其中采用寄存器級門控時鐘降低了系統(tǒng)功耗的17.5%,采用操作數(shù)隔離降低了系統(tǒng)功耗的15%,硬件實現(xiàn)CRC算法比軟件實現(xiàn)CRC算法節(jié)省了50倍運算時間。4.該芯片采用TSMC 0.18μm工藝庫,已經(jīng)通過流片,功耗測試結(jié)果為,Low power模式:最低為0.6μA@3V,Idle模式:40μA/MHz@3V,Active模式:260μA/MHz@3V,滿足設(shè)計指標,實測結(jié)果驗證了該設(shè)計方法的可行性和有效性。
【關(guān)鍵詞】：MCU 低功耗設(shè)計 門控時鐘 空閑模式 低功耗模式
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP332
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符號對照表11-12
• 縮略語對照表12-16
• 第一章 緒論16-20
• 1.1 數(shù)字集成電路低功耗設(shè)計的背景及意義16
• 1.2 數(shù)字集成電路的低功耗優(yōu)化方法16-17
• 1.3 本論文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排17-18
• 1.4 本章小結(jié)18-20
• 第二章 功耗分析與低功耗優(yōu)化技術(shù)20-30
• 2.1 功耗的來源20-22
• 2.1.1 充放電功耗20-21
• 2.1.2 短路電流功耗21
• 2.1.3 漏電流功耗21-22
• 2.2 降低功耗的基本途徑22-23
• 2.2.1 降低工作電壓22-23
• 2.2.2 減小負載電容23
• 2.2.3 降低開關(guān)活動性23
• 2.2.4 降低時鐘頻率23
• 2.3 數(shù)字集成電路的低功耗優(yōu)化技術(shù)23-29
• 2.3.1 工藝級低功耗優(yōu)化技術(shù)23-24
• 2.3.2 版圖級低功耗優(yōu)化技術(shù)24
• 2.3.3 電路級低功耗優(yōu)化技術(shù)24-25
• 2.3.4 邏輯門級低功耗優(yōu)化技術(shù)25-27
• 2.3.5 寄存器傳輸級低功耗優(yōu)化技術(shù)27
• 2.3.6 算法級低功耗優(yōu)化技術(shù)27-29
• 2.3.7 系統(tǒng)級低功耗優(yōu)化技術(shù)29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 第三章 16位超低功耗MCU設(shè)計30-42
• 3.1 超低功耗MCU系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能模塊30-37
• 3.1.1 增強型流水線80251內(nèi)核31-32
• 3.1.2 工作模式控制器32-33
• 3.1.3 flash與RAM存儲器33
• 3.1.4 輸入輸出端33-34
• 3.1.5 時鐘控制器34
• 3.1.6 中斷控制器34-36
• 3.1.7 復(fù)位控制寄存器36-37
• 3.2 低功耗設(shè)計思路37-40
• 3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的選擇37
• 3.2.2 芯片時鐘的選擇37-38
• 3.2.3 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)劃分38
• 3.2.4 集成DMA控制器38-40
• 3.2.5 采用門控時鐘40
• 3.2.6 采用操作數(shù)隔離40
• 3.3 本章小結(jié)40-42
• 第四章 MCU中關(guān)鍵模塊的設(shè)計與驗證42-58
• 4.1 工作模式控制器設(shè)計與驗證42-46
• 4.1.1 空閑模式43-44
• 4.1.2 超低功耗模式44-45
• 4.1.3 仿真驗證45-46
• 4.2 時鐘控制器設(shè)計與驗證46-57
• 4.2.1 時鐘穩(wěn)定輸出設(shè)計46-48
• 4.2.2 時鐘無毛刺切換設(shè)計48-51
• 4.2.3 模塊級門控時鐘51-52
• 4.2.4 控制寄存器設(shè)計52-55
• 4.2.5 仿真驗證55-57
• 4.3 本章小結(jié)57-58
• 第五章 功耗對比與芯片實測功耗58-68
• 5.1 采用門控時鐘功耗對比58-60
• 5.2 采用操作數(shù)隔離功耗對比60-61
• 5.3 軟件實現(xiàn)CRC與硬件實現(xiàn)CRC功耗對比61-64
• 5.3.1 CRC軟件實現(xiàn)方法62
• 5.3.2 CRC硬件實現(xiàn)方法62-63
• 5.3.3 仿真結(jié)果對比63-64
• 5.4 芯片實測功耗64-66
• 5.5 本章小結(jié)66-68
• 第六章 總結(jié)與展望68-70
• 參考文獻70-72
• 致謝72-74
• 作者簡介74-75

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  本文關(guān)鍵詞：基于低功耗優(yōu)化技術(shù)的16位MCU設(shè)計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：337041