【摘 要】
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随着现代半导体技术的进步,物联网设备、个人终端设备等以微控制器为主的产品迅猛发展。微处理器作为核心控制单元,其设计要求也从单一追求有效控制向高性能低功耗兼具转变。由于现代微处理器芯片的复杂工作场景导致的散热、续航问题越发严重,使得处理器芯片的低功耗研究具有重要研究价值。本论文研究了 14纳米工艺制程下处理器的基本结构与工作模式,基于Synops ys公司ARC处理器的基础上设计了一套电源域管理系统
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随着现代半导体技术的进步,物联网设备、个人终端设备等以微控制器为主的产品迅猛发展。微处理器作为核心控制单元,其设计要求也从单一追求有效控制向高性能低功耗兼具转变。由于现代微处理器芯片的复杂工作场景导致的散热、续航问题越发严重,使得处理器芯片的低功耗研究具有重要研究价值。本论文研究了 14纳米工艺制程下处理器的基本结构与工作模式,基于Synops ys公司ARC处理器的基础上设计了一套电源域管理系统（Power Domain Manage ment,PDM）对芯片功耗进行优化,降低处理器在不同场景下的负载功耗。处理器划分多个电源域进行电源分布管理,通过PDM技术对系统供电进行层次化设计,针对处理器内核、处理器集群和集群共享存储的各种工作状态,设计了一套适用于低功耗场景下的PDM系统,不同电源域系统可独立开关。针对处理器的不同工作状态,诸如HALT模式、正常工作模式和关电模式,提供了不同的子系统供电方案。在处理器整体上电状态下,根据不同的负载要求,内核与集群可进入PM1（Power Mode1）模式或PM2（Power Mode2）模式。其集群共享存储可以在集群不同工作模式下,实现工作状态与关电状态和留存状态的转换。同时,电源域内各子系统,诸如总线、一致性单元等系统,可配合PDM电源域操作切换工作模式,并且根据内核状态实现对应的状态转换。针对处理器供电模式切换控制这一难点,论文通过设计状态机分别对内核与集群以及集群共享存储进行低功耗控制,针对电源转换状态下寄存器的访问进行了设计,并完成与处理器外围控制器逻辑的握手。该控制结构层次分明,具有很好的继承性与可移植性。本论文基于随机System Verilog语言的定向功能测试,完成对处理器电源域系统的验证。构建了一套针对处理器电源域设计的验证平台。与常规模块级验证平台相比,该平台对处理器电源域复杂供电场景下的验证更充分。根据处理器不同层级组件的工作特性,基于Perl语言设计了对应特性的测试用例。通过大量用例的回归测试并排除不可达情况后,最终验证覆盖率达到100%,满足验证的完备性需求。通过ZeBu原型验证平台完成对处理器功耗数据的分析。证实了处理器PDM系统可以较好的在不同场景下完成上下电控制,处理器低功耗模式与常规工作模式相比功耗下降46.7%。综上,本文完成了处理器的低功耗设计与验证工作,针对处理器的不同工作场景进行了对应电源域控制设计,有效降低了整体功耗,具有重要的工程意义。
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