戴瀾 周子坤

（北方工業(yè)大學(xué) 北京市 100144）

1 引言

實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC是一種提供精確時(shí)間信息的集成電路模塊，具有精確性和低功耗的特點(diǎn)。RTC在眾多應(yīng)用場(chǎng)景如安全系統(tǒng)、電表、工業(yè)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、辦公設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備中都作為獨(dú)立的時(shí)間信息源。隨著RTC更多的被應(yīng)用與可穿戴設(shè)備或低功耗移動(dòng)終端設(shè)備，對(duì)其低功耗設(shè)計(jì)的研究愈發(fā)受到關(guān)注。

國(guó)內(nèi)對(duì)RTC低功耗設(shè)計(jì)的研究主要集中在對(duì)同步時(shí)鐘門(mén)控和低功耗UPF設(shè)計(jì)方案的研究上。這兩種設(shè)計(jì)方法都屬于同步電路的低功耗優(yōu)化方案，需要增加特定的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘域和電源域的劃分并增加了芯片面積。

Link-joint異步自時(shí)鐘電路模型是一種基于異步握手信號(hào)流水線結(jié)構(gòu)的通用異步握手電路模型。這種異步電路模型相對(duì)于同步電路具有更低的開(kāi)關(guān)活動(dòng)性和更加靈活的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。目前少有論文通過(guò)引入該異步電路模型提升RTC的低功耗性能。

本文通過(guò)使用Link-joint電路模型設(shè)計(jì)RTC的數(shù)據(jù)通路和控制通路，使其電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，并降低了開(kāi)關(guān)活性和電路面積，從而在設(shè)計(jì)層面降低了RTC芯片的總功耗。

2 Link-joint異步自時(shí)鐘電路模型

Link-joint異步自時(shí)鐘電路模型是一種由握手控制Link單元和流控制Joint單元組成的異步握手電路模型，如圖1所示。

圖1：Link-joint異步自時(shí)鐘電路模型

Link單元包括數(shù)據(jù)部分和控制部分，Link單元的控制部分是一個(gè)Link握手信號(hào)控制器。Link握手控制單元有兩個(gè)輸入信號(hào)Fill、Drain和兩個(gè)輸出信號(hào)Full、Empty，其中Fill信號(hào)也作為L(zhǎng)ink單元內(nèi)數(shù)據(jù)部分的本地自時(shí)鐘信號(hào)。

Fill和Drain信號(hào)以上升沿的為有效觸發(fā)信號(hào)，分別由于Link單元的“填充”和“排空”，F(xiàn)ull和Empty以高電平輸出為有效狀態(tài)輸出。對(duì)于同一個(gè)Link握手控制器，它的Full和Empty始終是相反的。如果Full=1，代表Link單元的狀態(tài)是“滿”，所控制的數(shù)據(jù)輸出有效，當(dāng)Empty=1時(shí)，表示Link單元的狀態(tài)是“空”，表示所控制的數(shù)據(jù)輸入有效。

Link控制單元一般是一個(gè)SR鎖存器，也可以是Click單元或MouseTrap握手單元。Link單元的數(shù)據(jù)部分可以是寄存器或者鎖存器，有時(shí)根據(jù)設(shè)具體設(shè)計(jì)需要，Link單元也可以沒(méi)有數(shù)據(jù)部分。

Joint單元是控制通路的流控制模塊，用于控制握手信號(hào)和狀態(tài)在流水線前后級(jí)Link單元間的專遞。對(duì)于簡(jiǎn)單的直線型Link-joint異步自時(shí)鐘微流水線，它的Joint單元就是簡(jiǎn)單的二輸入與門(mén)，對(duì)于具有分支和循環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜控制通路，Joint單元的邏輯可以通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表分析產(chǎn)生。

與同步電路的靜態(tài)時(shí)序分析STA方法不同的是異步自時(shí)鐘電路的時(shí)序分析是基于相對(duì)時(shí)序分析RTA進(jìn)行的。并且電路的時(shí)序約束也需要通過(guò)相對(duì)時(shí)序約束RTC進(jìn)行描述。

與同步電路模型的狀態(tài)機(jī)加數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)方式不同，異步Link-joint電路模型使用Link和joint單元構(gòu)造自時(shí)鐘握手信號(hào)控制網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和器件開(kāi)銷，在保證電路功能和時(shí)序約束的同時(shí)，最大程度上減少了流水線中寄存器和鎖存器的數(shù)量，并增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

3 RTC的低功耗設(shè)計(jì)

3.1 異步自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器

基于Link-joint電路模型的異步自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器分為控制通路和數(shù)據(jù)通路兩個(gè)部分，它的控制通路由Link和Joint單元組成，數(shù)據(jù)通路部分則是一個(gè)異步計(jì)數(shù)器鏈，如圖2所示。

圖2：異步累加計(jì)數(shù)器鏈

異步計(jì)數(shù)器鏈由一組寄存器鏈和兩組數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，計(jì)數(shù)器有計(jì)數(shù)和設(shè)定兩種工作模式，并通過(guò)輸入信號(hào)S控制，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入C在計(jì)數(shù)模式和設(shè)定模式下分別作為寄存器組的進(jìn)位信號(hào)和同步設(shè)定控制信號(hào)。

異步自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的控制通路通過(guò)具有條件分支的循環(huán)Link-joint環(huán)路連接實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3：自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的控制通路

每一個(gè)計(jì)數(shù)器的控制通路有一個(gè)時(shí)鐘采樣輸入Link單元G，用于采樣輸入時(shí)鐘信號(hào)或連接上一級(jí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位Link。設(shè)定輸入Link單元D用于保存計(jì)數(shù)器的設(shè)定數(shù)據(jù)并觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)入設(shè)定模式，它的Full信號(hào)連接異步計(jì)數(shù)器的設(shè)定選擇信號(hào)S。兩個(gè)沒(méi)有數(shù)據(jù)部分的標(biāo)志Link單元A和C分別表示計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)更新和清空操作。累加Link單元I作為累加器自時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生單元，它的Fill信號(hào)連接異步計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入C。進(jìn)位標(biāo)志Link單元E用于表示計(jì)數(shù)器的數(shù)值已經(jīng)達(dá)到所要計(jì)數(shù)的數(shù)值，是下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘采樣單元。

控制通路的有Joint單元1、2、3和4,分別由于觸發(fā)Link單元I，C，A和E的“填充”?？刂仆反嬖?個(gè)分支和兩個(gè)循環(huán)，分別是清空進(jìn)位環(huán)路和累加環(huán)路。清空進(jìn)位環(huán)路由Link單元G、I、C和E組成，累加環(huán)路由Link單元G、I和A組成，數(shù)據(jù)比較器EQC用于比較計(jì)數(shù)器的輸出是否等于計(jì)數(shù)終值的設(shè)定輸入CONST，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值不等于計(jì)數(shù)終值EQC為0,此時(shí)計(jì)數(shù)器處于累加模式，控制通路的累加環(huán)路處于開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)等于計(jì)數(shù)終值時(shí)EQC變?yōu)?，計(jì)數(shù)器進(jìn)入清空進(jìn)位模式，清空進(jìn)位環(huán)路開(kāi)啟。

不論控制通路處于清空進(jìn)位模式還是累加模式，只要Link單元D的狀態(tài)變?yōu)椤皾M”，計(jì)數(shù)器都會(huì)進(jìn)入設(shè)定模式，“滿”狀態(tài)直接通過(guò)Link單元D轉(zhuǎn)遞至Link單元I。

3.2 RTC整體設(shè)計(jì)

本RTC使用異步SPI從模塊作為芯片和外界其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出接口，通過(guò)SPI接口可以對(duì)RTC進(jìn)行立即數(shù)設(shè)置和指令推入，同時(shí)通過(guò)SPI接口也對(duì)主控制設(shè)備返回指令的執(zhí)行結(jié)果，RTC整體控制通路如圖4所示。

圖4：自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的控制通路

除了SPI從接口模塊，RTC內(nèi)部還有指令解碼模塊，立即數(shù)緩存，異步自時(shí)鐘計(jì)數(shù)模塊，異步自時(shí)鐘鬧鐘中斷模塊，定時(shí)器時(shí)鐘選擇模塊，異步自時(shí)鐘定時(shí)中斷模塊和輸出數(shù)據(jù)選擇器。這些異步自時(shí)鐘模塊各自的控制通路以Link單元作為接口，RTC內(nèi)部通過(guò)流控制網(wǎng)絡(luò)將它們的控制流連接成為一個(gè)整體Joint自時(shí)鐘控制單元。

3.3 Link-joint異步電路綜合

本異步RTC的Link-joint異步自時(shí)鐘電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Lisp語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的CLAM工具進(jìn)行綜合，基于CLAM工具的綜合流程如圖5所示。

圖5：CLAM異步電路自動(dòng)綜合流程

CLAM使用Lisp語(yǔ)言對(duì)異步自時(shí)鐘控制通路的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為進(jìn)行RTL描述，數(shù)據(jù)控制流分割程序通過(guò)識(shí)別RTL描述中的Link定義和狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵字分析和產(chǎn)生自時(shí)鐘數(shù)據(jù)通路的拓卜結(jié)構(gòu)和各個(gè)Link單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。同時(shí)基于Lisp語(yǔ)言的RTL描述也對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程中各個(gè)Joint單元所綁定的計(jì)算單元的延遲進(jìn)行設(shè)定，以確保綜合結(jié)果所實(shí)現(xiàn)的功能的正確性。最終Link-joint電路綜合器根據(jù)數(shù)據(jù)流分割程序和延遲匹配程序所產(chǎn)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和延遲綁定信息生成控制通路的電路網(wǎng)表。

本異步自時(shí)鐘RTC的控制通路和數(shù)據(jù)通路通過(guò)CLAM異步工具進(jìn)行綜合，并使用函數(shù)化的設(shè)計(jì)方法將各個(gè)異步模塊進(jìn)行參數(shù)化定義，逐模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和仿真驗(yàn)證，最終通過(guò)函數(shù)調(diào)用的方式將各個(gè)模塊的異步控制網(wǎng)絡(luò)在RTC頂層模塊的總體控制通路的設(shè)計(jì)中進(jìn)行合并，產(chǎn)生最終的綜合結(jié)果。

4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果與結(jié)論

本異步方案實(shí)現(xiàn)的RTC，使用Lisp語(yǔ)言編寫(xiě)RTL代碼，通過(guò)CLAM平臺(tái)對(duì)RTC的計(jì)時(shí)模塊和整體的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與寄存器級(jí)相同的使用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)并通過(guò)Synopsys的DC工具綜合產(chǎn)生的同步RTC進(jìn)行結(jié)果比較，顯示其功能正確性并對(duì)比它們的低功耗性能。

本文使用Synopsys的PT工具來(lái)進(jìn)行功耗分析。分析時(shí)需要布局布線后的網(wǎng)表文件、庫(kù)相關(guān)文件和翻轉(zhuǎn)率saif文件作為輸入。本文不同方案的RTC都采用SMIC 55nm工藝庫(kù)，同時(shí)在tt工藝角、電壓1.2V、溫度25℃的條件下，異步方案采用CLAM工具鏈進(jìn)行綜合，同步方案采用Synopsys的DC進(jìn)行綜合，然后兩者的綜合結(jié)果通過(guò)Synopsys的ICC進(jìn)行布局布線并得到具有延遲信息的網(wǎng)表文件，翻轉(zhuǎn)率文件通過(guò)后仿真得到，其中包含電路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)頻率和次數(shù)等信息。由于受到仿真精度和速度的限制，后仿真中1Hz的時(shí)鐘輸入連接1MHz的時(shí)鐘信號(hào)。表1顯示了在1MHz時(shí)鐘頻率下的RTC計(jì)時(shí)模塊面積和PT報(bào)出的功耗評(píng)估結(jié)果。

表1

異步RTC的計(jì)數(shù)模塊的總面積為3054.6μm，其中計(jì)數(shù)模塊的面積為922.32μm。在1MHz的時(shí)鐘輸入頻率下，功耗分析的結(jié)果顯示，異步RTC的計(jì)時(shí)模塊相對(duì)于同步實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)功耗減小了約81.41%，短路功耗減小了86.06%，靜態(tài)功耗減小了27.78%，總功耗減小了85.08%。由此可知，異步RTC的面積和功耗均相對(duì)于同步RTC有大幅度降低。

5 總結(jié)

本文基于Link-joint異步自時(shí)鐘電路模型設(shè)計(jì)了一款小面積低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，提出了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的Linkjoint握手網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和綜合方法，并通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了一種小面積低功耗的自時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)單元。通過(guò)異步電路模型和設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)的RTC計(jì)時(shí)模塊相對(duì)于同步實(shí)現(xiàn)，面積和功耗均大幅降低。