文档介绍：梗旦大学硕士学位论文片上存储系统设计位微处理器的低功耗院系:微电子学系完成日期:微电予学与同体电子学顾沧海阂吴教授年耹专业:姓名:指导教师:学校代码:学号:
摘要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,功耗问题已经成为芯片设计的关键因素之一,因此必须在芯片设计时特别考虑功耗因素。嵌入式微处理器是低持凶詈诵牡牟糠郑涞凸纳杓贫越档驼鱿低车墓囊庖逯大。在微处理器中,功耗的%以上部是来自片上存储系统,因此低功耗片上存储系统是实现低功耗微处理器的关键。本文着重讨论了位微处理器的片上存储系统ù娲⑵鞴芾淼ピ、高速缓存控制器以及接口电路牡凸纳杓品椒āT赟工艺下,本文设计了一个位微处理器的片上存储系统,指令和数据都拥有路的噶詈褪荻疾捎的纷橄嗔狢,采用两级页表的寻址方式实现地址转换。采用全定制的方法来设计虲以达到高速、低功耗以及减小面积的目的。,同时提出了改进的元电路,减小了幌叩缙阶;还模翰⑶姨岢鲆恢植唤档蚑命中率而降低比较功耗的两级峁故迪直冉喜僮鳎ü哪P头治鲅≡衩恳患兜腃单元数,大大减少每次参加比较的ピJ淮送猓雇ü跣线上的电压摆幅的方法来进一步减小功耗,仿真表明本文缏返墓闹挥写矯结构的%。采用高速电流灵敏放大器来加快的读出速度。纷橄嗔狢采用了串行访问标识、数据的结构以节省数据读出时的功耗;采用动态比较器来减小地址比较功耗,加快比较速度,仿真表明本文的仅为传统并行结构ィ徊⑶椅A朔奖悴馐裕鳦加入了电路。在刂破鞯纳杓浦幸膊捎昧硕嘀钟呕侄卫刺岣叻么嫘阅芙档凸模括:增加读、写缓冲器;使用婊凰惴ǎ恢噶頒省略标识访问等。关键词:低功耗,珻,珻,.灵敏放大器,微处理器设计。
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第一章引言低功耗设计的背景自从集成电路发明以来,其面积、速度一直飞速发展。年就提出:每隔到个月,集成电路的集成度就要提高一倍,半导体工艺呈指数发展,这就是著名的痵=甘辏傻缏肥贾兆裱臡’,取得了惊人的发展。随着集成电路的规模和速度的迅速提高、器件尺寸的缩小,电路的功耗问题显得越来越突出。集成电路技术的发展对功耗提出了更高的要求,特别是一些对功耗非常敏感的应用,如便携手持设备、移动通信设备等。事实上,低功耗设计主要有以下四个推动因素首先是便携式系统的出现。近十几年来,手提电脑、移动通讯工具、掌上游戏机等便携式设备得到了蓬勃发展。这些产品都依靠电池供电,而电池的寿命和重量与功耗有直接的关系,因此功耗成为衡量产品性能的关键因素之一。在便携式电子设备中电池往往是最笨重的部件,新型的镍一金属氢化物电池只有—痯的能量密度【俊】,∈,对于功率更大的设备则所需电池的会更重。因此,电池的价格与重量成为降低系统价格与重量的瓶颈,为了设计出更小更轻更便宜的便携式电子产品,迫切需要降低功耗。其次是热量问题。集成电路消耗的电源能量绝大多数都转化为热量散发出来,如果无法有效的散热则会导致电路性能下降,研究表明】,工作温度每增加,电路的失效率将会翻一番。为了有效散热,需要改进封装技术,图中给出了各种不同封装及散热技术的价格】。可以看出,随着功耗增大,集成电路的封装和散热成本显著提高,因此采用低功耗技术可以有效降低封装和散热成本。。这将直接影响到复杂系统的性能并损害整个系统的可靠性,尤其对那些生命周期长和可靠性要求高的电子产品,功耗的挑战已经十分严峻。除了改进封装方法以外,最直接的办法就是采用低功耗设计方法。最后是环境保护问题。现代办公自动化需要消耗大量的电能,而它们与电路有
低功耗存储系统的意义直接的关系。据美国环境保护组织预测,%的办公室电能消耗来自计算机设备。针对这种情况,年美国政府提出了以节能为主题的“能源之星”计划】。⒋砥自从年第一块微处理器芯片牡号#阂岳矗孕阅艿淖非一直是微处弹器设计的第一目标,而芯片面积和功耗只是次要考虑因素。然而随着便携式电了设备的兴起,设计低功耗或能量有效猠拇砥飨缘糜愈重要。在维持处理器一定性能的同时,其能量消耗需要达到最低,园而处理器的设计要求比以往更高了。目前,已有一些低功耗的微处理器应用于便携式设备,但其中有许多是靠降低性能来实现的。尽管它们是低功耗的,但不能称为真正高效率的。要实现能量有效的微处殚器,必须从设计之初就全面考虑系统的性能和功耗。.凸拇娲⑾低微处理器系统通常包含指令集、流水结构、数据通路、控制电路、存储系统和时钟网络等主要模块的设计。各模块的低功耗设计都有助于实现整个微处理器系统的能量有效。然而各个模块的功耗开销并不相同,其中存储系