CN108089689A - 一种小型SoC超低功耗控制电路与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型SoC超低功耗控制电路与方法，在结构方面包括逻辑电路***、低功耗控制模块、电源管理模块、时钟管理模块和低频时钟模块。当需要进入空闲状态时，在硬件上通过低功耗控制模块将逻辑电路***供电端的电压值降低至只能保持逻辑电路***中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低值，同时关闭逻辑电路***的时钟源，从而消除逻辑动态功耗，并将漏电功耗降到最低；另外，本发明无需软件保存***运行状态，当唤醒时，无需软件恢复现场，可以直接运行***的下一条指令，从而加快了唤醒速度，增强用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及片上***技术，特别是一种小型SoC超低功耗控制电路与方法。
背景技术
目前，随着当代电子技术的不断发展及普及，人类的工作生活与电子技术紧密联系在一起。例如娱乐电子产品的便携式和无线化，让人们摆脱了电线的束缚；智能水表的应用，大幅减轻了人力成本；健康监护类电子产品，让人们可以实时掌握人员身体状况；跟踪定位产品，可以避免物品或者人员的走失。这类电子产品均具有空闲和工作两种状态，整体的低功耗是最主要的一个技术指标，最终体现为一次充电或者产品电池的续航能力。现在市面上针对该类电子的降低功耗方案，主要由以下两种方式：第一种是采用软件方式降低逻辑电路电压实现功耗的优化，但由于信号的建立和时钟的保持，需要预留足够的电压余量，导致无法将整体功耗降到最低；第二种是采用辅助微控制单元作为功耗管理单元，实现对电压的控制，但该方案主要应用于中大型SoC，内部有多个运算单元，对于对低功耗有强要求的蓝牙、wifi、BLE等产品无法应用。同时，上述两种方法中为了降低空闲状态的功耗，程序时钟频率会降低到KHz级别，会导致产品唤醒速度偏慢，影响用户体验。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种小型SoC超低功耗控制电路与方法，不但能够实现整体能耗的降低，而且能够加快唤醒速度。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：包括逻辑电路***、用于控制逻辑电路***的电压及时钟信号的低功耗控制模块、用于为逻辑电路***提供电压的电源管理模块、用于为逻辑电路***提供时钟信号的时钟管理模块和用于为低功耗控制模块提供低频时钟信号的低频时钟模块；所述低功耗控制模块的输入端连接至逻辑电路***，所述低功耗控制模块的输出端分别连接至电源管理模块和时钟管理模块，所述逻辑电路***、低功耗控制模块、时钟管理模块和低频时钟模块的供电端均连接至电源管理模块，所述逻辑电路***的时钟信号端连接至时钟管理模块，所述低功耗控制模块的时钟信号端连接至低频时钟模块。
进一步地，所述逻辑电路***包括CPU单元、总线和数据存储单元；所述CPU单元和数据存储单元之间通过总线进行连接，所述总线还连接至低功耗控制模块，所述CPU单元、总线和数据存储单元还同时连接至电源管理模块和时钟管理模块。
进一步地，所述低功耗控制模块包括唤醒逻辑单元、唤醒寄存器和控制输出逻辑单元；所述唤醒寄存器、唤醒逻辑单元和控制输出逻辑单元依次连接，所述控制输出逻辑单元的输出端分别连接至电源管理模块和时钟管理模块，所述唤醒逻辑单元还连接至逻辑电路***，所述唤醒寄存器、唤醒逻辑单元和控制输出逻辑单元还同时连接至电源管理模块和低频时钟模块。
进一步地，所述时钟管理模块和低频时钟模块所输出的时钟信号的频率不一致，所述时钟管理模块输出的时钟信号的频率比低频时钟模块的要高。
一种应用上述一种小型SoC超低功耗控制电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述逻辑电路***完成工作任务；
S2：所述逻辑电路***通过低功耗控制模块设置***唤醒源；
S3：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块停止输出时钟信号至逻辑电路***；
S4：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块降低逻辑电路***供电端的电压值；
S5：所述逻辑电路***进入空闲等待状态。
进一步地，所述步骤S5之后还包括以下步骤：
S6：判断所述低功耗控制模块是否接收到唤醒源，当接收到唤醒源时执行步骤S7，否则返回继续执行步骤S6；
S7：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块恢复逻辑电路***供电端正常工作时的电压值；
S8：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块恢复输出时钟信号至逻辑电路***；
S9：所述逻辑电路***进入工作状态，并返回执行步骤S1。
进一步地，所述唤醒源包括定时信号或者外部行为。
进一步地，所述步骤S4中的电压值为保持所述逻辑电路***中数据状态的最低电压值。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种小型SoC超低功耗控制电路与方法，在结构方面包括逻辑电路***、低功耗控制模块、电源管理模块、时钟管理模块和低频时钟模块。当需要进入空闲状态时，在硬件上通过低功耗控制模块将逻辑电路***供电端的电压值降低至只能保持逻辑电路***中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低值，同时关闭逻辑电路***的时钟源，从而消除逻辑动态功耗，并将漏电功耗降到最低；另外，本发明无需软件保存***运行状态，当唤醒时，无需软件恢复现场，可以直接运行***的下一条指令，从而加快了唤醒速度，增强用户体验。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种小型SoC超低功耗控制电路的基本电路原理框图；
图2是本发明一种小型SoC超低功耗控制电路的具体电路原理框图；
图3是本发明一种小型SoC超低功耗控制电路的方法的步骤流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种小型SoC超低功耗控制电路的基本电路原理框图，包括逻辑电路***400、低功耗控制模块100、电源管理模块200、时钟管理模块300和低频时钟模块500，所述低功耗控制模块100的输入端连接至逻辑电路***400，所述低功耗控制模块100的输出端分别连接至电源管理模块200和时钟管理模块300，所述逻辑电路***400、低功耗控制模块100、时钟管理模块300和低频时钟模块500的供电端均连接至电源管理模块200，所述逻辑电路***400的时钟信号端连接至时钟管理模块300，所述低功耗控制模块100的时钟信号端连接至低频时钟模块500，所述时钟管理模块300和低频时钟模块500所输出的时钟信号的频率不一致，所述时钟管理模块300输出的时钟信号的频率比低频时钟模块500的要高。
当整个SoC***完成工作任务时，需要进入空闲等待状态，所述逻辑电路***400会通过低功耗控制模块100设置***唤醒源，如定时或者外部行为等，告知低功耗控制模块100需要进入空闲等待状态，所述低功耗控制模块100会响应输出时钟关闭信号至时钟管理模块300，所述时钟管理模块300会响应停止输出高频时钟信号至逻辑电路***400，接着所述低功耗控制模块100会输出电压下降信号至电源管理模块200，所述电源管理模块200会响应调节逻辑电路***400供电端的电压值，将逻辑电路***400供电端的电压值降低至只能保持所述逻辑电路***400中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低电压值，此时所述逻辑电路***400进入空闲等待状态，而且保证了逻辑电路***400中存储的数据在有电压余量的情况下不会丢失。当所述低功耗控制模块100接收到唤醒源时，所述低功耗控制模块100会在3个时钟周期内，响应输出电压恢复信号至所述电源管理模块200，所述电源管理模块200会响应调节逻辑电路***400供电端的电压值，将逻辑电路***400供电端的电压值恢复至工作状态时的电压值，然后所述低功耗控制模块100还会响应输出时钟恢复信号至时钟管理模块300，所述时钟管理模块300会响应恢复输出高频时钟信号至逻辑电路***400，为逻辑电路***400提供工作时所需要的高频时钟信号。
本发明将逻辑电路***400在空闲等待状态下的电压值降到只能保持所述逻辑电路***400中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低电压值，只是为了保证逻辑电路***400中的数据不丢失所以还留有最低的电压余量，因此本发明能够将***的空闲状态下的漏电功耗降到最低。同时，该最低电压值还不能支持信号翻转，消除了逻辑动态功耗，从而实现了整体能耗的降低。
另外，本发明无需软件保存***运行状态，均为当唤醒时，无需软件恢复现场，可以直接运行***的下一条指令，从而加快了唤醒速度，增强用户体验。
所述低频时钟模块500所需要的时钟信号为低频时钟信号，因此所述低频时钟模块500只会提供低频时钟信号至低功耗控制模块100；所述逻辑电路***400所需要的时钟信号为高频时钟信号，因此时钟管理模块300只会提供高频时钟信号至逻辑电路***400。所述时钟管理模块300输出的时钟信号的频率比低频时钟模块500的要高。
所述电源管理模块200所提供的电压分为两种，一种是输出至逻辑电路***400的电压，该电压的幅值能够根据低功耗控制模块100的控制进行调节，在空闲状态和工作状态下的幅值是不同的；另一种是输出至低功耗控制模块100、低频时钟模块500以及时钟管理模块300的电压，该电压的幅值一直保持恒定，是为了保证低功耗控制模块100、低频时钟模块500以及时钟管理模块300能够长期平稳工作。
所述唤醒源包括内部定时或者外部行为等信号，所述内部定时是指在某个设定的时间点或者经过了设定的时间段，所述逻辑电路***400需要从空闲等待状态转变成正常工作状态的指令；所述外部行为指按键、抬头显示等行为动作指令。
参照图2，本发明的一种小型SoC超低功耗控制电路的具体电路原理框图，包括逻辑电路***400、低功耗控制模块100、电源管理模块200、时钟管理模块300和低频时钟模块500；所述逻辑电路***400包括CPU单元410、总线420和数据存储单元430，所述低功耗控制模块100包括唤醒逻辑单元110、唤醒寄存器120和控制输出逻辑单元130。所述CPU单元410、总线420和数据存储单元430依次连接，所述总线420还连接至唤醒逻辑单元110，所述CPU单元410、总线420和数据存储单元430还同时连接至时钟管理模块300和电源管理模块200；所述唤醒寄存器120、唤醒逻辑单元110和控制输出逻辑单元130依次连接，所述控制输出逻辑单元130的输出端连接至时钟管理模块300和电源管理模块200，所述唤醒寄存器120、唤醒逻辑单元110和控制输出逻辑单元130还连接至低频时钟模块500和电源管理模块200。
在SoC***中，程序运行至少需要CPU单元410、总线420、数据存储单元430以及时钟树，在采用软件通过降压方式降低功耗的方案中，***时钟不可关闭，CPU单元410、总线420和数据存储单元430必须处于工作状态，因此无法将供电端的电压值降低到更低，同时由于时钟树的翻转，整个逻辑***存在信号翻转的动态功耗。针对上述问题，本发明通过把电压值降到只能保持所述逻辑电路***400中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低电压值，而且采用硬件方式自动关闭时钟源，从而将***的空闲状态下的漏电功耗降到最低，同时消除了逻辑动态功耗，从而实现了整体能耗的降低。
当SoC***完成工作任务后需要进入空闲等待状态时，所述CPU单元410会通过总线420将空闲指令发送至所述唤醒逻辑单元110，并通过配置唤醒寄存器120配置***唤醒源，所述唤醒寄存器120为控制寄存器，内部包含了***的状态配置，从而告知低功耗控制模块100需要进入空闲等待状态。所述唤醒逻辑单元110会响应输出空闲指令至控制输出逻辑单元130，所述控制输出逻辑单元130会响应输出时钟关闭信号至时钟管理模块300，所述时钟管理模块300会响应停止输出高频时钟信号至逻辑电路***400中的CPU单元410、总线420和数据存储单元430，接着所述控制输出逻辑单元130还会输出电压下降信号至电源管理模块200，所述电源管理模块200会响应调节CPU单元410、总线420和数据存储单元430的供电端的电压值，将CPU单元410、总线420和数据存储单元430的供电端的电压值降低至只能保持所述逻辑电路***400中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低电压值，此时所述逻辑电路***400进入空闲等待状态，而且保证了逻辑电路***400中存储的数据在有电压余量的情况下不会丢失。当所述唤醒逻辑单元110接收到唤醒源时，通过唤醒寄存器120的状态配置在3个时钟周期内响应输出唤醒信号至所述控制输出逻辑单元130，所述控制输出逻辑单元130会响应输出电压恢复信号至所述电源管理模块200，所述电源管理模块200会响应调节CPU单元410、总线420和数据存储单元430的供电端的电压值，将CPU单元410、总线420和数据存储单元430的供电端的电压值恢复至工作状态时的电压值，然后所述控制输出逻辑单元130还会响应输出时钟恢复信号至时钟管理模块300，所述时钟管理模块300会响应恢复输出高频时钟信号至CPU单元410、总线420和数据存储单元430，为CPU单元410、总线420和数据存储单元430提供工作时所需要的高频时钟信号。
所述低功耗控制模块100中的唤醒逻辑单元110、唤醒寄存器120和控制输出逻辑单元130均工作在低频时钟域，且逻辑实现简洁。寄存器在***处于正常工作状态下，就由CPU单元410以软件方式完成配置；在空闲状态下，只要与寄存器配置响应的一路或者多路唤醒源达到，3个时钟周期内，即可完成控制输出逻辑的运行，实现***时钟和电压的恢复。
参照图3，本发明的一种小型SoC超低功耗控制电路的方法的步骤流程图，包括以下步骤：
S1：所述逻辑电路***完成工作任务；所述逻辑电路***400会在完成工作任务后准备进入空闲状态。
S2：所述逻辑电路***通过低功耗控制模块设置***唤醒源；所述唤醒源包括内部定时或者外部行为等信号。
S3：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块停止输出时钟信号至逻辑电路***；通过关闭逻辑电路***400的时钟源，消除了信号翻转的动态功耗。
S4：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块降低逻辑电路***供电端的电压值；所述该电压值只能保持所述逻辑电路***400中的数据状态，而不能支持信号翻转的最低电压值，只是为了保证逻辑电路***400中的数据不丢失所以还留有最低的电压余量，因此能够将***的空闲状态下的漏电功耗降到最低。
S5：所述逻辑电路***进入空闲等待状态；
S6：判断所述低功耗控制模块是否接收到唤醒源，当接收到唤醒源时执行步骤S7，否则返回继续执行步骤S6；
S7：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块恢复逻辑电路***供电端正常工作时的电压值；在唤醒时首先将电压恢复至正常工作时所需要的电压等级，保证在恢复时钟信号之前所述逻辑电路***的电压能够满足正常工作需要，避免***出错。
S8：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块恢复输出时钟信号至逻辑电路***；在恢复了电压之后再恢复时钟信号至逻辑电路***400，保证***在同个时钟域中正常工作。
S9：所述逻辑电路***进入工作状态，并返回执行步骤S1。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：包括逻辑电路***、用于控制逻辑电路***的电压及时钟信号的低功耗控制模块、用于为逻辑电路***提供电压的电源管理模块、用于为逻辑电路***提供时钟信号的时钟管理模块和用于为低功耗控制模块提供低频时钟信号的低频时钟模块；所述低功耗控制模块的输入端连接至逻辑电路***，所述低功耗控制模块的输出端分别连接至电源管理模块和时钟管理模块，所述逻辑电路***、低功耗控制模块、时钟管理模块和低频时钟模块的供电端均连接至电源管理模块，所述逻辑电路***的时钟信号端连接至时钟管理模块，所述低功耗控制模块的时钟信号端连接至低频时钟模块。
2.根据权利要求1所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：所述逻辑电路***包括CPU单元、总线和数据存储单元；所述CPU单元和数据存储单元之间通过总线进行连接，所述总线还连接至低功耗控制模块，所述CPU单元、总线和数据存储单元还同时连接至电源管理模块和时钟管理模块。
3.根据权利要求1所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：所述低功耗控制模块包括唤醒逻辑单元、唤醒寄存器和控制输出逻辑单元；所述唤醒寄存器、唤醒逻辑单元和控制输出逻辑单元依次连接，所述控制输出逻辑单元的输出端分别连接至电源管理模块和时钟管理模块，所述唤醒逻辑单元还连接至逻辑电路***，所述唤醒寄存器、唤醒逻辑单元和控制输出逻辑单元还同时连接至电源管理模块和低频时钟模块。
4.根据权利要求1所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：所述时钟管理模块和低频时钟模块所输出的时钟信号的频率不一致，所述时钟管理模块输出的时钟信号的频率比低频时钟模块的要高。
5.一种应用权利要求1-4任一所述一种小型SoC超低功耗控制电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述逻辑电路***完成工作任务；
S2：所述逻辑电路***通过低功耗控制模块设置***唤醒源；
S3：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块停止输出时钟信号至逻辑电路***；
S4：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块降低逻辑电路***供电端的电压值；
S5：所述逻辑电路***进入空闲等待状态。
6.根据权利要求5所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于，所述步骤S5之后还包括以下步骤：
S6：判断所述低功耗控制模块是否接收到唤醒源，当接收到唤醒源时执行步骤S7，否则返回继续执行步骤S6；
S7：所述低功耗控制模块通过控制电源管理模块恢复逻辑电路***供电端正常工作时的电压值；
S8：所述低功耗控制模块通过控制时钟管理模块恢复输出时钟信号至逻辑电路***；
S9：所述逻辑电路***进入工作状态，并返回执行步骤S1。
7.根据权利要求1所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：所述唤醒源包括定时信号或者外部行为。
8.根据权利要求1所述的一种小型SoC超低功耗控制电路，其特征在于：所述步骤S4中的电压值为保持所述逻辑电路***中数据状态的最低电压值。
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