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随着集成电路制造技术的发展,芯片的速度和集成度不断提高,功耗显著增大。同时为了延长手持设备中电池的使用时间、降低芯片的封装及散热成本,提高电路可靠性,必须在芯片设计时考虑功耗因素。微控制器是目前应用十分广泛的一种集成电路产品,在工业控制、汽车电子、通讯等多个领域的电子设备中起到了核心元器件的作用,因此微控制器的低功耗设计是一个重要的研究方向。本文首先讨论了CMOS集成电路的功耗来源,探讨了在IC设计的不同阶段可采取的低功耗技术,分析了目前低功耗技术发展的新趋势。本文随后利用对意法半导体新一代低功耗微控制器STM75的功耗水平测试与分析,得到了微控制器各部分占整体功耗的比重,研究并评估了目前主流微控制器采用的低功耗设计技术。通过分析可以得出,目前低功耗微控制器所应用的成熟低功耗设计技术,主要通过性能和功耗两方面的折衷,来取得降低功耗的效果;微控制器的程序存储器访问功耗和CPU功耗仍然是整体功耗的最重要组成,降低这两方面功耗,对于微控制器的低功耗设计尤为关键。本文之后选择对OC8051进行低功耗设计。OC8051是与MCS-51兼容的CPU内核。51单片机作为在我国应用最广,应用时间最长的单片机家族,其在低功耗方面的表现不尽如人意,通过本文的低功耗设计,不但降低了OC8051 CPU的功耗,更获得了微控制器方面的低功耗设计经验,利于各技术向更高端的微控制器推广。本文采取RTL级的多项低功耗技术如门控时钟,操作数分离等对其进行低功耗设计。有效地降低了OC8051的CPU功耗达59.8%。为了降低占微控制器功耗比重第一位的程序存储器访问功耗,本文结合微控制器应用程序的大部分执行时间被用于执行固定的循环代码的特点,研究了集成循环代码cache,并从中执行循环代码来降低存储器访问功耗的技术。比较了多种集成循环代码cache的方案,和对程序中的循环代码进行定位的方法。最终提出了微控制器平台上该技术的应用方案。本文采用预装载循环代码cache的结构,结合OC8051内核进行仿真分析,结果表明,该方案可以降低存储器访问功耗47.3%,降低微控制器整体功耗21.9 %。