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MCU系统的低功耗研究和设计

作　者: 蔡艳慧
导　师: 钟传杰
学　校: 江南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 低功耗技术锁存器触发器能量回收时钟分配网络单边沿触发双边沿触发
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着集成电路制造技术的飞速发展,集成规模的不断扩大和集成度的不断提高,功耗对电路的影响成为集成电路设计者必须考虑的因素。相关资料显示,集成电路的功耗随着工艺的发展而不断增加。功耗的不断增加,不但浪费资源,而且会带来一系列问题,如芯片失效、制造成本提高、影响环境等。因此,降低集成电路的功耗势在必行。在数字集成电路中,最常用的元件是锁存器和触发器。它不但是信号开始和结束的路径,而且也是每个时序电路中必不可少的组成部分。一种高性能处理器的功耗分析表明,很大一部分的时钟功耗是用来驱动时序元件的。因此,降低锁存器和触发器的功耗,尤其时钟分配网络的功耗,是降低芯片总功耗的关键。本文的主要工作和创新如下:首先,详细分析了CMOS电路的功耗来源,分别从工艺级、版图级、门级、寄存器传输级、系统级、电路级来介绍目前主要的低功耗设计技术和优化方法。其次,详细分析了能量回收技术的原理及实现,并在能量回收技术的指导下和传统结构的启发下,设计出了单边沿触发静态差分触发器(SETSDFF, single-edge triggered static differential flip-flop)。SETSDFF的优点如下:采用静态互补CMOS结构锁存方式,使电路具有性能好、静态功耗为0等优点;动态的时钟电路设计,不但可以降低电路的动态功耗,而且可以提高电路的速度;双轨输入数据的方式,有助于减少电路的响应时间,从而提高系统的速度。再次,在本文设计出SETSDFF的基础上又设计了双边沿触发静态差分触发器(DETSDFF, double-edge triggered static differential flip-flop),并分别从功耗、时间特性、版图面积等方面详细比较了单边沿触发器和双边沿触发器的优劣。采用Spectre软件在SMIC 0.35um CMOS标准工艺下仿真电路结构,供电电源为3.3V,温度为27oC。验证结果表明,SETSDFF在时钟频率为40MHZ,50%数据转换行为时,方波时钟控制的触发器消耗的能量为133.7uJ,而正弦时钟控制的触发器消耗的能量仅为76.4uJ。DETSDFF在频率为200MHZ,数据转换行为为100%时,其功率消耗是310.6 uW。最后,对这一课题的研究进行了总结,并对今后的研究方向做了进一步展望。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-12
  1.1 课题的研究背景和意义  7-8
    1.1.1 芯片运行的可靠性  8
    1.1.2 芯片制造的成本  8
  1.2 低功耗设计特点和流程  8-11
    1.2.1 设计特点  8-9
    1.2.2 设计流程  9-11
  1.3 本文的主要结构和工作  11-12
第二章低功耗技术综述  12-22
  2.1 功耗来源分析  12-14
    2.1.1 动态开关功耗  12-13
    2.1.2 短路功耗  13
    2.1.3 泄漏功耗  13-14
  2.2 低功耗技术  14-21
    2.2.1 工艺级低功耗优化技术  14-15
    2.2.2 版图级低功耗优化技术  15
    2.2.3 门级低功耗优化技术  15-17
    2.2.4 寄存器传输级低功耗优化技术  17-20
    2.2.5 系统级低功耗优化技术  20-21
    2.2.6 电路级低功耗优化技术  21
  2.3 本章小结  21-22
第三章低功耗能量回收触发器  22-36
  3.1 能量回收技术原理及其实现  22-27
    3.1.1 能量回收技术的原理  22-24
    3.1.2 能量回收技术的实现  24-27
  3.2 低功耗触发器原理分析  27-31
  3.3 能量回收触发器的设计  31-35
    3.3.1 传输门能量回收触发器(TGERFF)和预取值静态脉冲触发器(PCSPFF)  32-33
    3.3.2 单边沿触发静态差分触发器（SETSDFF）  33-34
    3.3.3 仿真结果  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章比较低功耗单和双边沿触发器  36-48
  4.1 边沿触发器功耗分析  36-37
  4.2 边沿触发器时间特性  37-39
  4.3 单和双边沿触发器的设计  39-47
    4.3.1 传统的边沿触发器  39-44
    4.3.2 双边沿触发静态差分触发器(DETSDFF)  44-45
    4.3.3 实验结果比较  45-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章总结与展望  48-49
致谢  49-50
参考文献  50-54
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  54

MCU系统的低功耗研究和设计

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