雙ARM7 SoC參考設(shè)計(jì)在多電壓AVS中的應(yīng)用

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SoC即"Systemonchip",通俗講為"芯片上的系統(tǒng)",主要用于便攜式和民用的消費(fèi)的電子產(chǎn)品。隨著便攜式和民用電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，廣大用戶對便攜設(shè)備新功能的要求永無止境。于是要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)小型便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品時，不僅要縮小產(chǎn)品尺寸、降低成本，更重要的是降低功耗，用戶都希望便攜式產(chǎn)品的電池充電后的工作時間越長越好。于是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與SoC設(shè)計(jì)人員面臨著在增加功能的同時保證電池的使用時間的挑戰(zhàn)。要達(dá)到這一點(diǎn)，就需要使用新的節(jié)能技術(shù)，比如電壓調(diào)節(jié)（voltagescaling）.在SoC設(shè)計(jì)中降低功耗可以用兩種方式來實(shí)現(xiàn)，一種是開環(huán)電壓調(diào)節(jié)（動態(tài)）,另一種是閉環(huán)（自適應(yīng)）電壓控制的方法。

電壓調(diào)節(jié)技術(shù)與頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的結(jié)合使用為時鐘切換添加了新原則，以確保新時鐘頻率擁有安全的電壓電平。此外，電壓調(diào)節(jié)功能需要在SoC內(nèi)創(chuàng)建電壓域。這將在兩個可變電壓域之間或可變電壓域和靜態(tài)電壓域之間創(chuàng)建電壓域接口。跨越接口的可變電壓電平差為接口設(shè)計(jì)帶來了獨(dú)特挑戰(zhàn)。時鐘、信號電平轉(zhuǎn)換以及電壓域隔離等問題都必須仔細(xì)考慮，以確保短延遲和信號完整性。

先進(jìn)電源控制器

電源控制器，可以發(fā)送RS-232和RS-485代碼，用電腦和中控對設(shè)備進(jìn)行控制，如設(shè)備開關(guān)，投影機(jī)延時關(guān)機(jī)，電動屏幕、電動窗簾、電動吊架的升降控制等。電源控制器具有以下功能：開關(guān)量控制，可級連到16臺；設(shè)備表面帶綠色電源指示和紅色繼電器開關(guān)指示燈；具有手動和中控同時管理功能，設(shè)備接線方便，安裝時只需要打開小的接線盒外殼就可以接線和調(diào)ID碼，無須打開整個表面外殼；設(shè)備配墻上安裝支架，可以平放或墻上安裝！

作為美國國家半導(dǎo)體PowerWise技術(shù)的一部分，先進(jìn)電源控制器（APC）旨在協(xié)助調(diào)節(jié)電壓域的電壓控制。APC支持閉環(huán)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）和開環(huán)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）。APC支持動態(tài)頻率調(diào)節(jié)功能，帶有至?xí)r鐘管理單元（CMU）的接口，可為SoC提供時鐘信號。電壓電平可通過PowerWise接口（PWI）傳送給芯片外協(xié)同電源單元。硬件性能監(jiān)控電路（HPM）用于AVS閉環(huán)電壓控制。APC根據(jù)HPM提供的芯片性能信息，決定的供電電壓，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能水平。在決定電壓電平時，SoC制程變化、SoC晶粒溫度變化、穩(wěn)壓器偏置或偏差以及系統(tǒng)靜態(tài)電阻壓降都會自動得到補(bǔ)償。DVS模式則依照預(yù)先設(shè)定的電壓頻率對照表進(jìn)行操作。

參考設(shè)計(jì)

PowerWiseCamera（PWCAM）參考設(shè)計(jì)測試芯片用于技術(shù)驗(yàn)證和演示。PWCAM是模擬通用雙處理器架構(gòu)。圖1是PWCAM的框圖。PWCAM包含兩套獨(dú)立的基于ARM7的處理器系統(tǒng)：連接處理器和圖像處理器。每套系統(tǒng)都有一組AHB和APB外設(shè)。每個CPU、AHB和APB都是由同一系統(tǒng)時鐘驅(qū)動，時鐘頻率高達(dá)96MHz.連接處理器和圖像處理器通過核間通信單元（ICCU）進(jìn)行通信。這個通信單元是異步AHB-AHB橋。只有圖像處理器可以直接訪問外部存儲器。設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了將獨(dú)立的頻率和電壓調(diào)節(jié)功能引入連接處理器和圖像處理器，這要求對APC的設(shè)計(jì)和集成進(jìn)行恰當(dāng)區(qū)分。

AVS中的時鐘切換

AVS是我國具備自主知識產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，是《信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼》系列標(biāo)準(zhǔn)的簡稱，其包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)管理等四個主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和符合性測試等支撐標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，"信源"是信息的"源頭",信源編碼技術(shù)解決的重點(diǎn)問題是數(shù)字音視頻海量數(shù)據(jù)（即初始數(shù)據(jù)、信源）的編碼壓縮問題，故也稱數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)。顯而易見，它是其后數(shù)字信息傳輸、存儲、播放等環(huán)節(jié)的前提，因此是數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)的共性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

對于電壓調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)功能整合而言，重要的要求是在頻率還未切換之前，確保新頻率所需電壓到位。如果調(diào)高時鐘頻率，在時鐘切換為新頻率之前，電壓必須提升至足夠高的水平。如果調(diào)低時鐘頻率，時鐘可以立即切換為新頻率，因?yàn)殡妷弘娖揭呀?jīng)足夠。為了滿足這個要求，時鐘調(diào)節(jié)控制必須通過APC.APC利用目標(biāo)索引和當(dāng)前索引等接口協(xié)議，來批準(zhǔn)實(shí)際系統(tǒng)時鐘切換。

AVS電壓域分區(qū)

一般而言，電壓調(diào)節(jié)與時鐘頻率調(diào)節(jié)總是結(jié)合在一起。時鐘域邊界自然成為AVS電壓域邊界的選擇。時鐘域邊界的異步接口使得多電壓AVS部署變得更為簡單。然而，由于性能原因，有時可能需要采用同步接口。將IP塊集成進(jìn)AVS電壓域通常需要IP塊級的分區(qū)改變，以便分隔電壓域。很多IP塊包含不只一個時鐘域。例如，外設(shè)塊包含一個內(nèi)部總線接口時鐘和另一個外設(shè)時鐘。內(nèi)部總線時鐘根據(jù)系統(tǒng)時鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，而外設(shè)時鐘則按照固定頻率運(yùn)行。相對于對IP進(jìn)行重新分區(qū)以將IP塊集成到AVS電壓域內(nèi)，有時讓IP塊固定頻率部分以AVS電壓電平進(jìn)行操作，從而使整個IP塊集成到AVS電壓域內(nèi)，更為容易。

PWCAM分區(qū)需要考慮這些因素。圖1給出帶有電壓域邊界的PWCAM,用于控制AVS的嵌入式APC和HPM,以及需要信號水平轉(zhuǎn)移的接口。此外，連接處理器內(nèi)的SRAM也進(jìn)行分區(qū)，以便由存儲器保留電壓供電。存儲器保留電壓可以在進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)時追蹤AVS電壓，但有下限箝位電壓，確保即使邏輯部分?jǐn)嚯娀蛟诓缓线m電壓電平下，SRAM始終保持有效數(shù)據(jù)。

電平轉(zhuǎn)換及斷電信號箝位

有兩種電壓域接口，一種是靜態(tài)電壓域和AVS電壓域之間的接口；另一種是兩個獨(dú)立AVS電壓域之間的接口。信號穿越電壓域邊界，需要將電平轉(zhuǎn)換以便目的域能正確識別。

PWCAM采用的電平轉(zhuǎn)換策略確保進(jìn)出域的信號都有位于AVS域邊界的電平轉(zhuǎn)換器。除了執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換之外，電平轉(zhuǎn)換器還可起到屏蔽作用，將信號保持在相應(yīng)的電壓域內(nèi)，限度減少信號完整性問題。如果AVS電壓域支持?jǐn)嚯姽δ埽到y(tǒng)在斷電狀態(tài)下將輸入及輸出箝定在已知狀態(tài)非常重要。這種箝位功能很容易就能整合到電平轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

電壓域邊界的同步定時

自適應(yīng)調(diào)節(jié)電壓域里的信號定時根據(jù)電壓電平的變化而變化。如果電壓域采用同步接口，在設(shè)計(jì)信號路徑和時鐘路徑時，要仔細(xì)考慮定時路徑的可變特性。

AC定時路徑

交流電alternatingcurrent,簡稱為AC.發(fā)明者是尼古拉·特斯拉（NikolaTesla,1856-1943）。交流電也稱"交變電流",簡稱"交流".一般指大小和方向隨時間作周期性變化的電壓或電流。它的基本的形式是正弦電流。我國交流電供電的標(biāo)準(zhǔn)頻率規(guī)定為50赫茲，日本等國家為60赫茲。交流電隨時間變化可以以多種多樣的形式表現(xiàn)出來。不同表現(xiàn)形式的交流電其應(yīng)用范圍和產(chǎn)生的效果也是不同的。電流隨時間的變化規(guī)律，由此看出：正弦交流電需用頻率、峰值和相位三個物理量來描述。交流電所要討論的基本問題是電路中的電流、電壓關(guān)系以及功率（或能量）的分配問題。由于交流電具有隨時間變化的特點(diǎn)，因此產(chǎn)生了一系列區(qū)別于直流電路的特性。在交流電路中使用的元件不僅有電阻，而且有電容元件和電感元件，使用的元件多了，現(xiàn)象和規(guī)律就復(fù)雜了。

如果任何交流定時路徑（輸入路徑或輸出路徑）的部分在調(diào)節(jié)電壓域內(nèi)，輸入設(shè)置/保持時間或輸出有效時間在調(diào)節(jié)電壓范圍內(nèi)大幅度波動。如果技術(shù)規(guī)格無法承受這樣大的變動，則必須采取措施將這種變動減至少。類似一般定時優(yōu)化技術(shù)，通常是使取樣反轉(zhuǎn)盡量接近電壓域邊界。

內(nèi)部定時路徑

與可變定時相關(guān)的內(nèi)部路徑是指兩個電壓域之間的反轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)（floptoflop）定時路徑，而其中至少有一個是電壓調(diào)節(jié)域。由于電壓調(diào)節(jié)功能與時鐘頻率調(diào)節(jié)功能結(jié)合在一起，因此當(dāng)電壓向下調(diào)節(jié)時，會有更多的設(shè)置時間。時鐘路徑的可變定時則會使調(diào)節(jié)電壓域與靜態(tài)電壓域之間的時鐘偏差也隨之改變。電壓下調(diào)幅度越大，時鐘偏差也越大。所得到的結(jié)果是信號路徑的周期時間會縮短，而且也會出現(xiàn)保持時間的問題。添加時間延遲補(bǔ)償電路以便為所有可能出現(xiàn)的定時時間轉(zhuǎn)變作出補(bǔ)償并不可行，因?yàn)闀r鐘的偏差幅度太大，實(shí)在無法預(yù)測。為了解決這個可變定時時間問題，關(guān)鍵是添加時鐘同步功能，以盡量減少時鐘偏差，更重要的是，使時鐘偏差幅度可以預(yù)測。

AVS/DVS設(shè)計(jì)考慮因素

與典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，進(jìn)行多電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)需注意以下幾方面：額外的資料庫特征化和定時驗(yàn)證點(diǎn)；在設(shè)計(jì)體系、分區(qū)和編碼等