一種MCU芯片功耗評估的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及芯片低功耗技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種MCU芯片功耗評估的方法。首先，把芯片把MCU芯片的功耗劃分成三大組成部分，即：模擬電路功耗、數(shù)字電路功耗和memory電路功耗；其次，根據(jù)CMOS電路功耗的三大來源，即：動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗，分別給出三大功耗組成部分功耗的評估方法；然后，根據(jù)MCU芯片處在運行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和停機(Standby)各種工作模式，分析并確定各個模塊的運行及電源狀態(tài)；最后，根據(jù)評估方法及模塊狀態(tài)，分別評估出MCU芯片在各種工作模式下的功耗。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種MCU芯片功耗評估的方法
本專利技術(shù)涉及芯片的低功耗設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種MCU芯片在各種工作模式下的功耗評估方法。
技術(shù)介紹
隨著人們對便攜式及可穿戴電子產(chǎn)品需求的提高，以及受到電池容量發(fā)展的限制,芯片的超低功耗設(shè)計越來越受到人們的重視。能量以熱量的形式消耗，可靠性又與溫度直接相關(guān)。據(jù)估計，溫度每升高10℃失效率可能提高一倍；而保持低溫操作又需要增加散熱成本。功耗決定了芯片的發(fā)熱量，封裝結(jié)構(gòu)需要及時把芯片產(chǎn)生的熱量傳遞走，否則溫度上升，造成電路不能穩(wěn)定工作。因此，發(fā)熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝形式，或者額外的冷卻系統(tǒng)，如風(fēng)扇等，這意味著成本的增加。基于以上原因，功耗成為產(chǎn)品的重要指標(biāo)與約束。在MCU芯片設(shè)計之初對芯片進行功耗評估，有以下幾方面優(yōu)勢：確定芯片的功耗目標(biāo)；產(chǎn)品在應(yīng)用領(lǐng)域中功耗指標(biāo)的商業(yè)價值；對芯片的電源架構(gòu)設(shè)計及芯片的功耗優(yōu)化具有指導(dǎo)意義；給芯片封裝散熱的設(shè)計提供支撐；有助于確定供電電池容量及壽命；還對芯片外圍電路的設(shè)計提供技術(shù)支持。本專利技術(shù)基于MCU芯片系統(tǒng)與架構(gòu)級的低功耗技術(shù)，介紹一種MCU芯片功耗評估的方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種MCU芯片功耗評估的方法，根據(jù)MCU芯片各個模塊在不同工作模式下的工作及供電狀態(tài)，評估芯片在各種工作模式下的功耗。本專利技術(shù)包括以下內(nèi)容：首先，將MCU芯片的功耗劃分成模擬電路、數(shù)字電路和memory電路三大功耗組成部分；其次，分別給出模擬、數(shù)字和memory電路的動態(tài)及靜態(tài)功耗評估方法；然后，根據(jù)MCU芯片處在運行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和停機(Standby)各種工作模式，分析并確定各個模塊的運行及電源狀態(tài)；最后，根據(jù)評估方法及各模塊狀態(tài)，分別評估出MCU芯片在不同工作模式下的功耗。附圖說明圖1為MCU芯片功耗組成；圖2為MCU芯片工作模式與電源架構(gòu)圖；具體實施方式下面就具體實施方式對本專利技術(shù)作進一步詳細(xì)的說明：本專利技術(shù)的MCU芯片功耗評估的方法是基于芯片系統(tǒng)與架構(gòu)級的低功耗設(shè)計，結(jié)合芯片的各種工作模式。通過以下四個步驟實現(xiàn)：步驟1、根據(jù)MCU芯片結(jié)構(gòu)，將芯片的功耗劃分成模擬、數(shù)字和Memory三大組成部分，如圖1所示。模擬電路功耗主要來自帶隙基準(zhǔn)(BG)、穩(wěn)壓器(VR)、電壓監(jiān)測(POR)、內(nèi)部高速時鐘(HSI)、內(nèi)部低速時鐘(LSI)、外部高速時鐘(HSE)、外部低速時鐘(LSE)以及IO等模擬模塊。數(shù)字電路功耗主要來自CPU及外設(shè)以及常開的數(shù)字電路如實時時鐘(RTC)等。Memory電路功耗包括Flash的讀功耗和SRAM的讀寫功耗及其靜態(tài)功耗。步驟2、根據(jù)CMOS電路功耗的三大來源，即動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗(短路功耗主要受時鐘樹設(shè)計的影響，不在本專利技術(shù)功耗評估范圍之內(nèi))，分別給出模擬電路、數(shù)字電路和memory電路的功耗評估方法。其中，模擬電路的功耗分別由各模擬IP得到，計算過程如下：Iana＝IBG+IVR+IPOR+IHSI+ILSI+IHSE+ILSE+…+IIO(1)為了評估數(shù)字電路和Memory的功耗，以MCU最小系統(tǒng)執(zhí)行一段標(biāo)準(zhǔn)程序，產(chǎn)生vcd文件，經(jīng)過功耗仿真得到最小系統(tǒng)的數(shù)字電路功耗。MCU芯片的數(shù)字電路動態(tài)功耗則以最小系統(tǒng)的功耗仿真結(jié)果作為參考；基于不同工藝平臺導(dǎo)致的功耗差異作為影響因子；MCU芯片與最小系統(tǒng)的數(shù)字電路邏輯規(guī)模作為另一個影響因素。本專利技術(shù)的具體實施例的工藝平臺為110nmULL工藝，而最小系統(tǒng)的工藝平臺為90nmLP工藝。數(shù)字電路的動態(tài)功耗計算過程如下：數(shù)字電路靜態(tài)功耗根據(jù)數(shù)字電路規(guī)模及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的漏電得到，考慮到工藝平臺和數(shù)字電路邏輯規(guī)模的影響。數(shù)字電路的靜態(tài)功耗計算過程如下：MCU芯片工作在Standby模式時，通常需要RTC工作。在芯片功耗評估階段，對于RTC模塊的設(shè)計工作還未開展，因此，以一個計數(shù)器(Tim)作為參考進行功耗估算，其計算過程如下：Memory的動態(tài)功耗由Flash或RAM的讀寫功耗乘以執(zhí)行程序時讀寫概率得到。Memory的讀寫概率以MCU最小系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)程序作為參考，得到執(zhí)行程序的總周期數(shù)以及讀寫memory的周期數(shù)。RAM的動態(tài)功耗包括讀功耗和寫功耗，計算過程如下：RAM的靜態(tài)功耗由其大小決定，通過Memorycompiler產(chǎn)生就可得到。在正常程序運行時，F(xiàn)lash僅存在讀功耗，以及一個基礎(chǔ)功耗。其計算過程如下：Flash的靜態(tài)功耗由FlashIP漏電決定。步驟3、根據(jù)MCU芯片處在運行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和停機(Standby)各種工作模式，分析并確定各個模塊的運行或電源狀態(tài)。本專利技術(shù)的MCU芯片具體實施例的工作模式與電源架構(gòu)如圖2所示。為降低芯片功耗，將數(shù)字電路劃分在兩個不同的電源域，即Vcore_main域和Vcore_aon域；為降低高壓域數(shù)字電路噪聲對模擬電路的影響，將高壓域劃分為VDD域和VDDA域；IO_ring單獨由VDDIO域供電；低壓域的模擬電路放在Vcore_ana域，以降低噪聲的影響。芯片工作在Standby模式時，僅灰色區(qū)域有電，其余Vcore_main域、Flash和RAM均斷電以降低Standby模式功耗。芯片工作在Run、Sleep及Stop模式時，所有電路均有電。模擬電路在不同工作模式下的狀態(tài)如下表所示。注1：√——active狀態(tài)O——可配置為active或PowerDown模式×——斷電狀態(tài)注2：為優(yōu)化芯片功耗，VR在Run模式和Sleep模式具有高驅(qū)動能力，自身功耗也更高；在Stop和Standby模式，VR具有低驅(qū)動能力，自身功耗更低。Sleep模式時，CPU時鐘停止，數(shù)字電路動態(tài)功耗降低；同時，停止訪問Memory，因此，Memory僅存在靜態(tài)功耗。Stop模式時，系統(tǒng)時鐘停止，數(shù)字電路動態(tài)功耗為0，僅計算靜態(tài)功耗；Memory停止訪問，也不存在動態(tài)功耗；高速時鐘停止，HSE和HSI僅存在漏電功耗；VR也處于低功耗模式。Standby模式在Stop模式的基礎(chǔ)上斷開絕大部分?jǐn)?shù)字電路電源(如圖2所示，斷開Vcore域的電源開關(guān)S1)，這部分電路的靜態(tài)功耗也不存在；Memory也處于斷電狀態(tài)，沒有靜態(tài)功耗；BR和VG處于低功耗模式或者斷電狀態(tài)(具體取決于低功耗及電源設(shè)計方案，本專利技術(shù)具體實施例為低功耗模式)，可能存在較低的動態(tài)功耗或者僅余漏電。步驟4、根據(jù)評估方法及模塊狀態(tài)，分別計算得到MCU芯片在Run模式、Sleep模式、Stop模式和Standby模式下的功耗。芯片整體功耗由模擬、數(shù)字和Memory功耗相加組成，根據(jù)MCU芯片在不同工作模式下，各個模塊處于工作、漏電或斷電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種MCU芯片功耗評估的方法。其特征在于包括四個步驟：/n步驟1、根據(jù)MCU芯片結(jié)構(gòu)，將芯片的功耗劃分成三大組成部分，即模擬電路功耗、數(shù)字電路功耗和Memory電路功耗；/n步驟2、根據(jù)CMOS電路功耗的三大來源，即動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗，分別給出模擬電路、數(shù)字電路和memory電路的功耗評估方法；/n步驟3、根據(jù)MCU芯片處在運行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和停機(Standby)各種工作模式，分析并確定各個模塊的運行及電源狀態(tài)；/n步驟4、根據(jù)評估方法及模塊運行狀態(tài)，分別計算得到MCU芯片在Run模式、Sleep模式、Stop模式和Standby模式下的功耗。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種MCU芯片功耗評估的方法。其特征在于包括四個步驟：
步驟1、根據(jù)MCU芯片結(jié)構(gòu)，將芯片的功耗劃分成三大組成部分，即模擬電路功耗、數(shù)字電路功耗和Memory電路功耗；
步驟2、根據(jù)CMOS電路功耗的三大來源，即動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗，分別給出模擬電路、數(shù)字電路和memory電路的功耗評估方法；
步驟3、根據(jù)MCU芯片處在運行(Run)、睡眠(Sleep)、停止(Stop)和停機(Standby)各種工作模式，分析并確定各個模塊的運行及電源狀態(tài)；
步驟4、根據(jù)評估方法及模塊運行狀態(tài)，分別計算得到MCU芯片在Run模式、Sleep模式、Stop模式和Standby模式下的功耗。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1：根據(jù)MCU芯片結(jié)構(gòu)，將芯片的功耗劃分成三大組成部分，即模擬電路功耗、數(shù)字電路功耗和Memory電路功耗，模擬電路功耗由來自帶隙基準(zhǔn)(BG)、穩(wěn)壓器(VR)、電壓監(jiān)測(POR)以及內(nèi)部高速時鐘(HSI)、內(nèi)部低速時鐘(LSI)、外部高速時鐘(HSE)、外部低速時鐘(LSE)和IO模擬模塊組成；數(shù)字電路功耗來自CPU及其外設(shè)；Memory電路功耗包括Flash的讀功耗和SRAM的讀寫功耗及其靜態(tài)功耗。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2：根據(jù)CMOS電路功耗的三大來源，即動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和短路功耗，分別給出模擬電路、數(shù)字電路和memory電路的功耗評估方法；
其中，模擬電路的動態(tài)功耗和靜...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄒偉玉，舒海軍，
申請(專利權(quán))人：上海華虹集成電路有限責(zé)任公司，北京中電華大電子設(shè)計有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31