零翻转编码地址总线SoC的低功耗设计

摘要：分析系统芯片(SoC)设计中大电容负载的地址总线低功耗设计方法；利用地址总线零翻转编码和解码技术，有效地减少SoC地址总线活动，降低SoC芯片和系统的功耗；同时，应用于实际的SoC设计中，验证它的功能和适用范围。

引 言

面向便携式设备的SoC设计，不仅仅要求性能高、体积小，更要求功耗低。一般而言，SoC的静态功耗很小，而对负载电容充放电的动态功耗很大。

SoC内部，总线上挂着很多功能设备，导致总线的电容负载很大。如果总线与片外设备联系，那么，它还要驱动很长的片外连线以及片外设备，负载高达50pF，比SoC内部各个节点的电容负载0.05pF高出三个量级。一般而言，总线的功耗占SoC总功耗的10%~80%；一个已经对内部电路优化过的SoC，总线功耗约占50%[1]。随着宽度的增加，总线消耗的功率占SoC总功率的比重越来越大，因此，总线的低功耗设计很重要。

很多通过减少总线动态翻转来降低总线功耗的算法已经被提出来。数据总线的数据随机性较大，地址总线的地址向量连续性较大。它们传送的数值各有特点，所以，针对不同类型总线的算法也不一样。针对数据总线有bus-invert算法，针对地址总线有PBE (Page-Based Encoding)算法、WZE（Working Zone Encoding）算法等。本文利用地址总线零翻转编码方法，通过设计编码器和解码器的结构，有效地降低SoC地址总线的功耗。

1 集成电路功耗分析

数字集成电路的静态功耗非常小，往往只有nW（纳瓦）级，因此，它的功耗近似等于动态功耗[2]，如式（1）所示：

其中，P表示数字集成电路的总功耗；Ci表示电路第i个节点的负载电容；Vdd表示电源电压；f表示工作频率；表示t时刻节点i的活动因子，正比于节点i的电平翻转频率。

设参数Cint表示内部节点的平均负载，Cbus表示总线各位的平均负载，Nint表示单位时间所有内部节点的平均翻转次数，Nbus表示单位时间总线的平均翻转次数。那么，式（1）可以简化为式（2）：

P∝Cint·Nint+Cbus·Nbus。 （2）

因为内部节点的个数远远大于总线的位数，所以平均翻转次数Nint远远大于Nbus；而负载Cint却远远小于Cbus。前者大约只有后者的千分之一，所以，式（2）中Nbus具有很大的权重。减小Nbus，能够显著地降低P。

2 低功耗设计

2.1 地址总线零翻转编解码原理

总线宽度为N，t时刻，总线需发送的数据为Bt。如果Bt与Bt-1相等，则时刻总线状态完全不变；如果Bt与Bt-1不相等，则t时刻，总线就会发生电平翻转。Bt与 Bt-1不同的比特位数目(0≤≤N)越大，总线电平翻转的位数就越多，功耗就越大。当Bt与Bt-1互为反码，则总线每一位都要翻转，此时总线翻转的功耗。

零翻转编码法利用降低总线的电平翻转次数，来降低总线功耗。定义bt为内核MCU计算出来的t时刻总线数据（即编码前的数据），Bt是t时刻已放到总线上的数据（即编码后的数据），Jt是解码器解码后的数据。

总线连续取址时，相邻两次地址的差是相等的，定义为Stride。一般的ROM寻址Stride=1；对Cache寻址时，Stride根据Cache的寻址特性而定。如果Cache寻址步长是一个word，则Stride=2。

编码需要一个额外的状态信号INC。

零翻转编码的算法步骤如下：

① 计算bt-1+Stride，比较bt与bt-1+ Stride；

② 如果bt=bt-1+Stride，表明是连续寻址，那么Bt= Bt-1，置INC=1；

③ 如果bt≠bt-1+Stride，表明是不连续寻址，那么Bt=bt，置INC=0；

④ 接收端解码器根据INC来处理收到的总线数据。

零翻转解码的算法步骤如下：

① 计算Jt-1+Stride；

② 如果INC=1，表明是连续寻址，那么Jt=Jt-1+stride；

③ 如果INC=0，表明是不连续寻址，那么Jt=Bt。

中断和跳转子程序的多少，会影响功耗的降低。中断和跳转越少，地址向量连续性越高，零翻转编码后总线电平翻转越少，节省的功耗就越大。当地址总线一直连续寻址时，零翻转法理论上可以达到地址总线的零翻转，并且，Stride变量可以根据寻址对象的不同而设置成对应的数值。

2.2 零翻转编解码器电路结构

编码器组成左半部分。D1寄存bt-1，加法器将bt-1与Stride相加。比较器EQ比较bt和bt-1+Stride，输出INC。选择器MUX的两组输入是bt和Bt-1。

编码器是组合逻辑，不可避免的有毛刺。毛刺虽然时间很短，但依然会增加总线功耗，因此，利用D2、D3触发器来同步，过滤掉所有的毛刺。

解码器结构，在接收设备Memory控制逻辑中实现。寄存器D存储Jt-1，MUX的两组输入是（bt-1+Stride)和Bt。它的结构比编码器简单得多。

相对整个SoC而言，编码器和解码器的电路规模很小，带来的额外硬件面积和功耗也很小[3，4]。

3 验证结果分析

将零翻转法应用于SoC中，改变SoC设计的地址总线宽度，分别是8、16、32、64位。对内部地址总线和外部地址总线分别计算出优化前后的功耗，并分析结果。使用的EDA工具是Synopsys公司的功耗分析软件Power Compiler。

3.1 零翻转编码对内部地址总线功耗的影响

本测试方案中，地址总线上悬挂了15个功能模块，完全在SoC电路内部，总线每一位的负载为2.1pF。以10 000个完全连续的地址向量运行SoC，计算地址总线功耗。计算结果如表1所列。

当总线宽度N增大时，编码器的MUX宽度随之增大，它的控制信号sel的负载增加，导致sel时延增大。当N = 32时的RTL代码，基于TSMC-0.25μm工艺库，经Design Compiler综合，得出的关键路径从D1触发器时钟端到MUX的输出，延时为4.7ns。时钟频率是50MHz，编码器的延迟只占时钟周期的23.5%。这个百分比很小。解码器的结构比编码器更简单。可见，编码器和解码器都能够满足时序要求。

优化后的总线功耗降低了。其中8位总线降低幅度，达到了88.3%；而随着N的增加，功耗降低的幅度变小。由于验证的10 000组地址向量没有变，所以优化后总线活动减少而节省的功耗几乎不随N的变化而变化；而当N增大时，编码器的规模成倍增大（见表1），编码器硬件所消耗的功率上升很快。因此，编码器的功耗不断增大，总线活动节省的功耗几乎不变，导致总功耗降低的幅度越来越小。

表1 内部总线功耗测试

如果地址不完全连续，那么功耗降低的幅度更小。所以，当内部地址总线宽度过大，超过32位时，不适宜应用零翻转算法。

3.2 零翻转编码对外部地址总线功耗的影响

本测试方案中，地址总线经过PAD连接到片外存储器，总线每一位的负载为50pF。运行一个带有循环和跳转的程序对片外存储器写值，总线功耗结果如表2所列。

表2 外部总线功耗测试

总线负载为50pF，优化后节省的功耗远大于编码器硬件产生的功耗，后者对功耗降低比例的影响减小。所以，随着N的增大，功耗节省比例降低的幅度变小。SoC总线宽度一般在64位以内，因此，零翻转编码法几乎适用于所有的SoC外部地址总线。

由表1与表2的功耗量级的差别知道，总线负载越大，零翻转法优化的功耗就越大，编码器硬件的负面影响越小。

结 语

本文介绍了零翻转编码地址总线低功耗设计方法。当地址总线一直连续取址时，通过零翻转编码，理论上可以达到地址总线电平的零翻转，限度地降低地址总线功耗。这种设计方法，既适用于片外地址总线，也适用于宽度在32位以内的SoC内部地址总线。