基于软硬件协同设计的低功耗生理信号处理ASIC设计

基于软硬件协同设计的低功耗生理信号处理ASIC设计
基于软硬件协同设计的低功耗生理信号处理ASIC设计

A Low Power Biomedical Signal Processor ASIC Based on Hardware Software Codesign 基于软硬件协同设计的低功耗生理信号处理ASIC设计

聂泽东?王磊

ABSTRACT A low power biomedical digital signal processor ASIC based on hardware and software codesign methodology was presented in this paper. The codesign methodology was used to achieve higher system performance and design flexibility. The hardware implementation included a low power 32bit RISC CPU ARM7TDMI, a low power AHB-compatible bus, and a scalable digital co-processor that was optimized for low power Fast Fourier Transform (FFT) calculations. The co-processor could be scaled for 8-point, 16-point and 32-point FFTs, taking approximate 0, 100 and 1 0 clock circles, respectively. The complete design was intensively simulated using ARM DSM platform and was emulated by ARM Versatile platform, before conducted to silicon. The multi-million-gate ASIC was fabricated using SMIC 0.18μm mixed-signal CMOS 1P6M technology. The die area measures 5,000μm x 2,350μm. The power consumption was approximately 3.6 mW at 1.8V power supply and 1MHz clock rate. The power consumption for FFT calculations was less than 1. % comparing with the conventional embedded software-based solution.

KEYWORDS component; system on chip; co-design;biomedical signal processing ; scalable FFT

摘?要?文主要介绍了一种采用软硬件协同设计策略的用于生理信号处理的低功耗医学集成芯片。软硬件协同设计能达到性能和设计灵活性的最大化。系统硬件包括ARM7TDMI处理器,AHB兼容的低功耗总线和可扩展的FFT协处理器。该协处理器能扩展计算8点,16点和32点的FFT,分别只需要50,100和150个时钟周期。整个设计采用ARM DSM仿真并在ARM Versatile平台上进行了验证。最后该百万级的芯片采用SMIC 0.18μm mixed-signal工艺进行了流片。整个die面积为5,000μm x 2,350μm。在1MHz时钟频率下,1.8V电源输入整个系统功耗大约为3.6mW。同时,本设计计算FFT所需功耗仅为传统嵌入式方案的1.5 %。

关键词?片上系统;协同设计;生理信号处理;可扩展FFT

1 Introduction

R

ecent years have seen a surge of the development of wireless, low power wearable and implantable d evi ce s f o r p hy si olo gi ca l measu r em ents an d telemedicine applications [1, 2]. Subsequently, various signal processing algorithms were developed to process the measured signals such as ECG, EEG, EMG, EGG, respiration, PPG, and etc [3]. It is envisaged that most of the aforementioned signals are periodic and many vital signs such as heart rate, pulse rate, EEG rhythms and respiration rate have primary features in frequency spectrum. Therefore, spectrum analysis is quite often a fundamental building block being employed and a Fast Fourier Transform (FFT) unit is a first choice to be considered [4-6].

In another side of the spectrum, the wearable or implantable devices must be small and discreet. One

of the design challenges is the processing-on-node capability. Because of the extreme size and power constraints, it is difficult to perform the spectrum analysis within the wearable or implantable devices. A possible alternative is to transmit all the raw data to a more powerful base-station, such as a PDA, for post-processing [7]. This approach is disadvantageous because a) the RF transmission consumes a large amount of battery power; b) it requires a high bandwidth RF channel. Different off-the-shelf IC modules were used to tackle the on-node computational bottleneck. A conventional microprocessor is easy to use, but its architecture was not optimized for complex arithmetic computations. A DSP, however, usually involves a complex interface and dedicated instruction sets. The use of FPGA has also been suggested, but the relatively high power consumption prohibits its use for practical wearable or implantable applications.

An Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) can be fully customized, providing maximal design flexibility at the lowest-possible power consumption [8]. In an

This work is supported by Chinese Academy of Sciences

“the 100 Talent People” Program.

ASIC, all functional building blocks can be integrated into a single piece of silicon, which means potential size reduction for the sensor nodes. This also simplifies the subsequent packaging and assembly processes. An ASIC is cost-effective when volume production is applied.

In this paper, we represent a mixed-signal ASIC based on hardware and software codesign for scalable FFT calculations. Codesign is a methodology for solving design problems in processor-based embedded systems and allows the concurrent design of both hardware and software [9-10]. The design advantages of the codesign approach for biomedical signal spectrum analysis was also illustrated in this paper.

2 System Architecture

T

he complete ASIC was designed based on the codesign methodology. It was partitioned into hardware portion and embedded software portion. Fig. 1 illustrated the system architecture of the ASIC.

Figure.1. ASIC system architecture

The system has the following primary features: ? 32-bit RSIC ARM7TDMI processor.

? Low power AHB compatible bus (LPAHB).

? Scalable FFT module that could be scaled for 8-point, 16-point and 32-point FFT.

? 4K-word SRAM for data and program storage.

? Digital interfaces to various off-the-chip ADC and RF front end modules.

? On chip VCO oscillator to generate clock rates up to 30 MHz, eliminating the needs for off-chip oscillators.

As for design flow, Verilog was used for RTL level descriptions. The RTL codes were simulated and synthesized using Synopsys tools, and then emulated in using ARM Versatile platform. The back end tools used are Cadence tools. The software part adopted C and assembler languages based on ARM RealView Development Suite (RVDS).

3 Hardware Implementation

A. ARM7TDMI Implemetation

The ARM7TDMI core is a 32-bit embedded RISC processor delivered as a hard macro cell optimized to provide the best combination of performance, power and area characteristics. The ARM7TDMI core enables system designers to build embedded devices requiring small size, low power and high performance [11].

B. Low Power AHB Compatible System

Bus Design

In this design, an AHB compatible system bus was designed for inter-system connection. For simple purpose, the AHB Lite architecture is used for high efficiency communication.

Figure 2. The Structure of Low Power AHB Compatible Bus

Typically the power dissipated by system-level buses contributes the largest portion of the global power of a complex VLSI system. Therefore, the minimization of the switching activity at the I/O interfaces provides significant savings on the overall power budget [12]. In our design a bus-invert code (INV) was used to minimize the switching in the data bus, for the address bus, a modified GRAY encoding was adopted to preserve the one-transition property for consecutive addresses of byte-addressable machines [13]. The structure of the low power AHB compatible bus is illustrated in Fig. 2.

C. Scalable FFT Circuit Description

A scalable FFT module that could be scaled for 8-point, 16-point and 32-point FFT was implemented into the digital co-processor. The FFT was designated in a scalable manner.

A 2-point FFT is the basic building unit for scalable design. For 2n-point FFT, the Decimation-In-Time algorithm and Decimation-In-Frequency algorithm were deduced from the Cooley-Turkey algorithm [14]. The Decimation-In-Time FFT Radix-2 was used and carried out by modified butterfly architecture.

The inputs of the scalable FFT were 8-bit complex number: Xp-in (n) and Xq-in (n). The absolute value of a twiddle factor WNk was set to be less than or equal to 1. Before Xq-in (n) multiply with WNk, WNk was multiplied by 26. After the multiplying, the result was right_shift six bits. The result of multiplication of

complex number Xq-in (n) = Xq-in -R(n) + i Xq-in -I(n)

Figure. . The Structure of the complete Scalble_FFT

assemble code and C code, which were compiled and linked in the RVDS. The codes were debugged in the

Instruction Set Simulator that was hardware independent. The Realview ICE platform downloaded codes into the hardware for emulations.

Figure. . Software Implementation Flow

die measures 5000μm by 2350μm. Table II illustrates the

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Author Introduction

Zedong Nie: received his M.D from Wuhan university of science and technology in 2006 . His research interests are digital ASIC and biomedical signal processing.

Lei Wang : refer to cover II.

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术 摘要:现阶段各行业的发展离不开对能源的消耗,随着目前节能技术要求的不 断提升,降低功耗成为行业发展的重要工作之一。本文围绕集成电路的功耗优化 以及低功耗设计技术展开分析,针对现阶段常见的低功耗设计方式以及技术进行 探究,为集成电路功耗优化提供理论指导。 关键词:集成电路;功耗优化;低功耗 目前现代节能技术要求不断提升,针对设备的功耗控制成为当前发展的主要问题之一。 针对数字系统的功耗而言,决定了系统的使用性能能否得到提升。一般情况下,数字电路设 计方面,功耗的降低一直都是优先考虑的问题,并且通过对整个结构进行分段处理,同时进 行优化,最后总结出较为科学的设计方案,采用多种方式降低功耗,能够很大程度上提升设 备的使用性能。下面围绕数字电路的功耗优化以及低功耗设计展开分析。 一、设计与优化技术 集成电路的功耗优化和低功耗设计是相对系统的内容,一定要在设计的每个环节当中使 用科学且合理的技术手段,权衡并且综合考虑多方面的设计策略,才能够有效降低功耗并且 确保集成电路系统性能。因为集成电路系统的规模相对较大且具有一定的特殊性,想要完全 依靠人工或者手动的方式来达到这些目的并不现实且缺少可行性,一定要开发与之对应的电 路综合技术。 1 工艺级功耗优化 将工艺级功耗应用到设计当中,通常情况下采取以下两种方式进行功耗的降低: 首先,根据比例调整技术。进行低功耗设计过程中,为了能够实现功耗的有效降低会利 用工艺技术进行改善。在设计过程中,使用较为先进的工艺技术,能够让设备的电压消耗有 效缩减。现阶段电子技术水平不断提升,系统的集成度也随之提高,目前采用的零件的规格 也逐渐缩小,零件的电容也实现了良好的控制,进而能够很大程度上降低功耗。借助比例技术,除了能够将可见晶体管的比例进行调整,而且也能够缩小互连线的比例[1]。目前在晶体 管的比例缩小方面,能够依靠缩小零件的部分重要参数,进而在保持性能不被影响的情况下,通过较小的沟道长度,确保其他的参数不受影响的栅压缩方式,进而将零件的体积进行缩减,同时也缩短了延长的用时,使功耗能够有效降低。针对互连线缩小的方式主要将互连线的整 个结构进行调整,工作人员在进行尺寸缩减的过程中,会面临多方面的难题,比如系统噪音 无法控制,或者降低了电路使用的可靠性等等。 其次,采用封装技术进行降低。采用封装技术,能够让芯片与外部环境进行有效的隔离,进而避免了外部环境给电气设备造成一定的破坏与影响,在封装阶段,芯片的功耗会受到较 大的影响,因此需要使用更加有效的封装手段,才能够提升芯片的散热性,进而有效降低功 耗[2]。在多芯片的情况下,因为芯片与其他芯片之间的接口位置会产生大量的功耗,因此针 对多芯片采取封装技术,首先降低I/0接口的所有功能,接着解决电路延迟的问题,才能够 实现对集成电路的优化。 2 电路功耗优化 一般情况下,对电路级的功耗会选择动态的逻辑设计。在集成电路当中,往往会包含多 种电路逻辑结构,比如动态、静态等等,逻辑结构从本质上而言具有一定的差异性,这种差 异性也使得逻辑结构有着不同作用的功能。动态逻辑结构有着较为典型的特性[3]。静态的逻 辑结构当中所有的输入都会对接单独的MOS,因此逻辑结构功耗更大,动态的逻辑结构当中 电路通常具备N、M两个沟道,动态电路会利用时钟信号采取有效的控制,进而能够实现预

嵌入式系统的低功耗设计

第27卷第6期增刊 2006年6月 仪 器 仪 表 学 报 Chinese Journal of Scientific Instrument Vol.27No.6 J une.2006  嵌入式系统的低功耗设计 3 杨天池 金 梁 王天鹏 (解放军信息工程大学 郑州 450002) 摘 要 嵌入式系统的电源管理是系统设计中关键部分,合理的电源管理方案可以减少系统的功耗并提高整体性能。本文提出了一种层次化的电源管理结构,分别为硬件层、驱动层、操作系统层、电源管理层和应用层。本文同时引入了动态的电源管理方法来解决电源功耗的动态管理问题。通过在实际的系统中的测试表明,该电源管理机制的有效性。关键词 嵌入式系统 低功耗设计 动态电源管理 PXA255 Low pow er design in embedded system Yang Tianchi Jin Liang Wang Tianpeng (Universit y of I nf ormation Engineering ,Zhengz hou 450002,China ) Abstract Proper power management mechanism is important when designing embedded system.It is helpful to reduce power consumption and improve performance.This low power model adopt s five 2layer architecture ,which are hardware platform ,driver layer ,operating system ,power manage mechanism and application program.Dynamic power management (DPM )technology is also introduced to solve the problem of power consumption.The experiment on embedded system demonstrates t hat this power management mechanism is feasible.K ey w ords embedded system low power design dynamic power management PXA255  3基金项目:河南人才创新基金(0421000100) 1 引 言 随着嵌入式系统的发展以及应用面的不断扩展,功耗控制是系统设计中必不可少的组成部分。如何最大限度的降低系统功耗、减少不必要的能源损失、延长电池使用时间已经成为嵌入式系统特别是便携式系统设计中研究的热点问题。系统的低功耗设计,并非是某一方面、某一角度的解决方案,而应当从系统级的设计考虑功耗的节省,是一个硬件设计与软件控制相互结合的协调过程。 2 低功耗电路模型 低功耗设计对于无线设备、PDA 等便携式设备的实际应用具有重要的意义。低功耗元件的发展和系统设计的进步使得通用计算技术可以用到表、无线电话、 PDA 和桌面计算机中。在这些系统中的电源管理技 术传统上集中在休眠模式和设备能源管理这2个方面上[1]。但是,这样的电源管理缺乏直观性和灵活性,而且功耗的降低,并非单独软件、硬件单方面可以解决的[2],因此设计并建立如图1所示的系统低功耗设计模型。整个模型由硬件平台,驱动层,操作系统层,电源管理机制层和应用程序五个部分组成。 2.1 硬件平台 几乎所有系统功耗都集中于硬件平台,因此降低硬件平台的功耗是实现低功耗的基本所在。公式(1)为系统功耗的表达式: P ∞CV 2 f (1) 式中:C 是负载电容,V 是器件电压,f 是工作频率[3]。系统功耗同负载电容、器件电压平方以及工作频率成正比。因此,硬件平台设计多选用低电压,电压、频率可调器件,以及采用SOC 设计来进一步降低功耗[4,5]。另外,模式可控器件在空闲状态消耗的能量为运行状

计算机操作系统综合设计实验报告实验一

计算机操作系统综合设计 实验一 实验名称:进程创建模拟实现 实验类型:验证型 实验环境: win7 vc++6.0 指导老师: 专业班级: 姓名: 学号: 联系电话: 实验地点:东六E507 实验日期:2017 年 10 月 10 日 实验报告日期:2017 年 10 月 10 日 实验成绩:

一、实验目的 1)理解进程创建相关理论; 2)掌握进程创建方法; 3)掌握进程相关数据结构。 二、实验内容 windows 7 Visual C++ 6.0 三、实验步骤 1、实验内容 1)输入给定代码; 2)进行功能测试并得出正确结果。 2、实验步骤 1)输入代码 A、打开 Visual C++ 6.0 ; B、新建 c++ 文件,创建basic.h 头文件,并且创建 main.cpp 2)进行功能测试并得出正确结果 A 、编译、运行main.cpp B、输入测试数据 创建10个进程;创建进程树中4层以上的数型结构 结构如图所示:。

createpc 创建进程命令。 参数: 1 pid(进程id)、 2 ppid(父进程id)、3 prio(优先级)。 示例:createpc(2,1,2) 。创建一个进程,其进程号为2,父进程号为1,优先级为2 3)输入创建进程代码及运行截图 4)显示创建的进程

3、画出createpc函数程序流程图 分析createpc函数的代码,画出如下流程图:

四、实验总结 1、实验思考 (1)进程创建的核心内容是什么? 答: 1)申请空白PCB 2)为新进程分配资源 3)初始化进程控制块 4)将新进程插入到就绪队列 (2)该设计和实际的操作系统进程创建相比,缺少了哪些步骤? 答:只是模拟的创建,并没有分配资源 2、个人总结 通过这次课程设计,加深了对操作系统的认识,了解了操作系统中进程创建的过程,对进程创建有了深入的了解,并能够用高 级语言进行模拟演示。一分耕耘,一分收获,这次的课程设计让 我受益匪浅。虽然自己所做的很少也不够完善,但毕竟也是努 力的结果。另外,使我体会最深的是:任何一门知识的掌握, 仅靠学习理论知识是远远不够的,要与实际动手操作相结合才能 达到功效。

基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程

https://www.360docs.net/doc/a216737579.html,/inform ation/snug/2009/low-power-impleme ntation-flow-based-ieee1801-upf 基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程 Low-power Implementation Flow Based IEEE1801 (UPF) 郭军, 廖水清, 张剑景 华为通信技术有限公司 jguo@https://www.360docs.net/doc/a216737579.html, liaoshuiqing@https://www.360docs.net/doc/a216737579.html, zhangjianjing@https://www.360docs.net/doc/a216737579.html, Abstract Power consumption is becoming an increasingly important aspect of ASIC design. There are several different approaches that can be used to reduce power. However, it is important to use these low-power technology more effectively in IC design implementation and verification flow. In our latest low-power chip, we completed full implementation and verification flow from RTL to GDSII successfully and effectively by adopting IEEE1801 Unified Power Format (UPF). This paper will focus on UPF application in design implementation with Synopsys low power solution. It will highlight that how to describe our low-power intent using UPF and how to complete the design flow. This paper first illustrates current low-power methodology and UPF?s concept. Then, it discussed UPF application in detail. Finally, it gives our conclusion. Key words: IEEE1801, UPF, Low-Power, Shut-Down, Power Gating, Isolation, IC-Compiler 摘要

ARM低功耗设计_全面OK

嵌入式系统中的低功耗设计 2008-12-31 18:19:55 作者:电子之都来源:电子之都浏览次数:59 网友评论 0 条 经过近几年的快速发展,嵌入式系统(Embedded system)已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用,嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增(IDC预测),嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。 在嵌入式系统的设计中,低功耗设计(Low-Power Design)是许多设计人员必须面对的问题,其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去,而这些产品不是一直都有充足的电源供应,往往是靠电池来供电,所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗,从而尽可能地延长电池使用时间。事实上,从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。 那么,我们应该从哪些方面来考虑低功耗设计呢?笔者认为应从以下几方面综合考虑: 1.处理器的选择 2.接口驱动电路设计 3.动态电源管理 4.电源供给电路的选择 下面我们分别进行讨论: 一、处理器的选择 我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统(OS)开始的,一旦这两者选定,整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候,一般更注意其性能的优劣(比如时钟频率等)及所提供的接口和功能的多少,往往忽视其功耗特性。但是因为CPU 是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于手持设备来讲,它几乎占据了除显示屏以外的整

个系统功耗的一半以上(视系统具体情况而定),所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 一般的情况下,我们是在CPU的性能(Performance)和功耗(Power Consumption)方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量,即Watt/M IPS。但是,这仅仅是一个参考指标,实际上各个CPU的体系结构相差很大,衡量性能的方式也不尽相同,所以,我们还应该进一步分析一些细节。 我们把CPU的功率消耗分为两大部分:内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O,总的功率等于两者之和,即P=PCORE+PI/O。对于PCORE,关键在于其供电电压和时钟频率的高低;对于PI/O来讲,除了留意各个专门I/O控制器的功耗外,还必须关注地址和数据总线宽度。下面对两者分别进行讨论: 1、CPU供电电压和时钟频率 我们知道,在数字集成电路设计中,CMOS电路的静态功耗很低,与其动态功耗相比基本可以忽略不计,故暂不考虑。其动态功耗计算公式为: Pd=CTV2f 式中,Pd---CMOS芯片的动态功耗 CT----CMOS芯片的负载电容 V----CMOS芯片的工作电压 f-----CMOS芯片的工作频率 由上式可知,CMOS电路中的功率消耗是与电路的开关频率呈线性关系,与供电电压呈二次平方关系。对于一颗CPU来讲,Vcore电压越高,时钟频率越快,则功率消耗越大。所以,在能够满足功能正常的前提下,尽可能选择低电压工作的CPU能够在总体功耗方面得到

基于MSP430的极低功耗系统设计

基于MSP430的极低功耗系统设计 摘要:MSP430是TI公司出品的一款强大的16位单片机,其显著特点是具有极低的功耗。本文对构造以MSP430为基础极低功耗系统作为有益的探讨,对于设计各种便携式设备都具有较高的参考价值。 对于一个数字系统而言,其功耗大致满足以下公式:P=CV2f,其中C为系统的负载电容,V为电源电压,f为系统工作频率。由此可见,功耗与电源电压的平方成正比,因此电源电压对系统的功耗影响最大,其次是工作频率,再就是负载电容。负载电容对设计人员而言,一般是不可控的,因此设计一个低功耗系统,应该考虑到不影响系统性能前提下,尽可能地降低电源的电压和使用低频率的时钟。下面对TI公司新出MSP430来具体探讨这个问题。 MSP430具有工业级16位RISC,其I/O和CPU可以运行在不的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制:正常运行时电流160μA,备用时为0.1μA,功耗低,为设计低功耗系统提供了有利的条件。 图1是我们设计的以MSP430为CPU的“精密温度测试仪”(下面简称测试仪)。该产品使用电池供电,体积小巧,携带方便。 在使用时应该尽可能地选择最低的电源电压。对于MSP430而言,可用的最低电压是很低的,最低可达1.8V。我们使用TI公司推荐使用的3V。通常的电源只提供5V电压,因此,需要将5V电压由一个3V的稳压管降压后给CPU供电,也可以直接锂电池供电。3V不是标准的TTL电平,因此,在使用时需要用接口电路使CPU的非TTL标准电平能与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的,否则会造成一方面使用低电压降低了功耗,另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。或者直接使用支持3V电压的外围芯片。图1 (2)时钟频率 从低功耗的角度看,需要较低的频率,但是在实时应用中为了快速响应外部事件

物联网传输综合课程设计实验报告 人体红外数据通信实验

物联网传输综合课程设计实验报告 人体红外数据通信实验 一、实验目的 1. 了解基于Z-Stack 协议栈的SappWsn 应用程序框架的工作机制 2. 掌握在ZigBee 协议栈中添加人体红外传感器驱动的方法。 二、实验设备 1. 装有IAR 开发工具的PC 机一台 2. 下载器一个 3. 物联网多网技术开发设计平台一套 三、实验原理 在Z-Stack APP中的HAL\Target\CC2530EB\Includes组中,提供了一个hal_io.h的文件,如图所示。 其中,提供了名为HalIOSetInput 的函数,可以将燃气传感器端口(P1.0)设置为输入,然后通过调用HalIOGetLevel 函数来获取传感器状态。 四、实验步骤 1、将单片机zigbee协调器拆卸下来,取出烧写器。通过Mini USB接口将zigbee 协调器与下载器和PC机相连。

2、将实验箱控制方式切换开关拨至“手动”一侧,转动实验箱“旋钮节点选择”旋钮,使得协调器旁边的LED灯被点亮 3、打开配套代码中的ZStack-CC2530\Projects\SappWsn\SappWsn.eww工程文件,在“Tools”组中,找到“f8wConfig.cfg”文件,双击打开,并找到大概第59 行的“-DZAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF”,将其中的“0xFFFF”修改为其他值,例如0x0010

4、在工程目录结构树上方的下拉列表中,选择“CoordinatorEB”,点击工具栏中的“Make”按钮,编译工程,等待工程编译完成,如看到警告,可以忽略。在工程目录结构树中的工程名称上点击鼠标右键,选择“Options”,并在弹出的对话框中选择左侧的“Debugger”,并在右侧的“Driver”列表中选择“Texas Instruments”,点击“Download and Debug”按钮。待程序下载完毕后,点击“Go”按钮,使程序开始运行。点击工具栏中的“Stop Debugging”,退出调试模式, 5、转动实验箱“旋钮节点选择”旋钮,使得热释红外传感器节点旁边的LED灯被点亮,在工程目录结构树上方的下拉列表中,选择“EndDeviceEB”,在“SAPP_Device.h”文件中,取消“HAS_IRPERS”的注释,并保证其他的功能均被注释,如图所示

常用低功耗设计

随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高,芯片的功耗迅速增加,而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此,功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个非常重要的考虑因素。为了使产品更具有竞争力,工业界对芯片设计的要求已从单纯的追求高性能、小面积,转换为对性能、面积、功耗的综合要求。微处理器作为数字系统的核心部件,其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有非常重要的意义。 本文首先介绍了微处理器的功耗来源,重点介绍了常用的低功耗设计技术,并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源 研究微处理器的低功耗设计技术,首先必须了解其功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。 从图1中可以看出,时钟单元(Clock)功耗最高,因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分,其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分,还有存储单元(Mem ory),控制部分和输入/输出 (Control,I/O)。存储单元的功耗与容量相关。 如图2所示,C MOS电路功耗主要由3部分组成:电路电容充放电引起的动态功耗,结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中,动态功耗是最主要的,占了总功耗的90%以上,表达式如下: 式中:f为时钟频率,C1为节点电容,α为节点的翻转概率,Vdd为工作电压。

2 常用的低功耗设计技术 低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言,包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言,包括自系统级至版图级的所有抽象层次。同时,功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关,需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。 2.1 动态电压调节 由式(1)可知,动态功耗与工作电压的平方成正比,功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低,因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是,仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大,执行时间变长。然而,系统负载是随时间变化的,因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式,从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下,工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS,需要采用电压调度模块来实时改变工作电压,电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。 2.2 门控时钟和可变频率时钟 如图1所示,在微处理器中,很大一部分功耗来自时钟。时钟是惟一在所有时间都充放电的信号,而且很多情况下引起不必要的门的翻转,因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产牛很大的影响。门控时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟网络进行划分,如果在当前的时钟周期内,系统没有用到某些逻辑模块,则暂时切断这些模块的时钟信号,从而明显地降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时,关闭寄存器时钟,以降低功耗。然而,门控时钟易引起毛刺,必须对信号的时序加以严格限制,并对其进行仔细的时序验证。 另一种常用的时钟技术就是可变频率时钟。根据系统性能要求,配置适当的时钟频率,避免不必要的功耗。门控时钟实际上是可变频率时钟的一种极限情况(即只有零和最高频率两种值),因此,可变频率时钟比门控时钟技术更加有效,但需要系统内嵌时钟产生模块PLL,增加了设计复杂度。去年Intel公司推出的采用先进动态功耗控制技术的Montecito处理器,就利用了变频时钟系统。该芯片内嵌一个高精度数字电流表,利用封装上的微小电压降计算总电流;通过内嵌的一个32位微处理器来调整主频,达到64级动态功耗调整的目的,大大降低了功耗。

单片机MSP430的极低功耗系统设计

单片机MSP430的极低功耗系统设计

实验报告总结(精选8篇)(优秀版)

《实验报告总结》 实验报告总结(一): 一个长学期的电路原理,让我学到了很多东西,从最开始的什么都不懂,到此刻的略懂一二。 在学习知识上面,开始的时候完全是老师讲什么就做什么,感觉速度还是比较快的,跟理论也没什么差距。但是之后就觉得越来越麻烦了。从最开始的误差分析,实验报告写了很多,但是真正掌握的确不多,到最后的回转器,负阻,感觉都是理论没有很好的跟上实践,很多状况下是在实验出现象以后在去想理论。在实验这门课中给我最大的感受就是,必须要先弄清楚原理,在做实验,这样又快又好。 在养成习惯方面,最开始的时候我做实验都是没有什么条理,想到哪里就做到哪里。比如说测量三相电,有很多种状况,有中线,无中线,三角形接线法还是Y形接线法,在这个实验中,如果选取恰当的顺序就能够减少很多接线,做实验就应要有良好的习惯,就应在做实验之前想好这个实验要求什么,有几个步骤,就应怎样安排才最合理,其实这也映射到做事情,不管做什么事情,就应都要想想目的和过程,这样才能高效的完成。电原实验开始的几周上课时间不是很固定,实验报告也累计了很多,第一次感觉有那么多实验报告要写,在交实验报告的前一天很多同学都通宵了的,这说明我们都没有合理的安排好自己的时间,我就应从这件事情中吸取教训,合理安排自己的时间,完成就应完成的学习任务。这学期做的一些实验都需要严谨的态度。在负阻的实验中,我和同组的同学连了两三次才把负阻链接好,又浪费时间,又没有效果,在这个实验中,有很多线,很容易插错,所以要个性仔细。 在最后的综合实验中,我更是受益匪浅。完整的做出了一个红外测量角度的仪器,虽然不是个性准确。我和我组员分工合作,各自完成自己的模块。我负责的是单片机,和数码显示电路。这两块都是比较简单的,但是数码显示个性需要细致,由于我自己是一个粗心的人,所以数码管我检查了很多遍,做了很多无用功。 总结:电路原理实验最后给我留下的是:严谨的学习态度。做什么事情都要认真,争取一次性做好,人生没有太多时间去浪费。 实验报告总结(二): 在分子生物学实验室为期两个月的实习使我受益匪浅,我不仅仅学习到了专业知识,更重要的是收获了经验与体会,这些使我一生受用不尽,记下来与大家共勉:

ASIC低功耗设计

三、低功耗技术 1. 功耗分析 (1)由于电容的充放电引起的动态功耗 V DD C l i VDD v out 图(20)充放电转换图 如图(20)所示:PMOS 管向电容L C 充电时,电容的电压从0上升到DD V ,而这些能量来 自于电源。一部分能量消耗在PMOS 管上,而剩余的则保存在电容里。从高电压向低转换的过程中,电容放电,电容中储存的能量消耗在NMOS 管上。 我们来推导一下:考虑从低电压转换到高电压的情况,NMOS 和PMOS 不同时导通。在转换过程中电源提供的能量为C E ,而是转换后储存在电容里的能量。 ???====∞∞VDD DD L out DD L out L DD VDD VDD V C dv V C dt dt dv C V dt t i E 0 002)( ???====∞∞VDD DD L out out L out out L out VDD C V C dv v C dt v dt dv C dt v t i E 02002 )( 这两个等式说明电源提供的能量只有一半储存在电容里。另一半被PMOS 管消耗掉了。 为了计算总体能量消耗,我们不得不考虑器件的翻转。如果门每秒钟翻转10?→? f 次,那么 102 ?→?=f V C P DD L dyn 10?→?f 表示能量消耗的翻转频率。 随着数字电路集成度的提高,能量问题将成为人们关注的焦点。从以上分析看出,dyn P 跟电源电压的平方成正比,因此降低供电电压对降低功耗有非常显著的意义。 但是,降低供电电压对电路性能有一定的影响,这时我们可以考虑减小有效电容和减少翻转率。电容主要是由于晶体管的门和扩散电容引起的,因此降低由于电容的充放电引起的动态功耗方法之一是将晶体管设计得尽可能小,这种方法同样对提高电路的性能有很大的帮助。

ASIC设计流程中的典型问题研究

第35卷第2期2007年4月 浙江工业大学学报 J OURNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.35No.2Apr.2007 收稿日期:2006209210 基金项目:浙江省教育厅资助科研项目(20051399) 作者简介:章旌红(1964—),女,浙江绍兴人,副教授,主要从事运动生物力学、电路与系统研究. A SIC 设计流程中的典型问题研究 章旌红,何剑春,陶东娅 (浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032) 摘要:随着集成电路制造工艺的快速发展,系统芯片(SOC )及其功能ASIC 模块的研究越来越引起关注.基于ASIC 设计流程,讨论了当前ASIC 设计中逻辑综合、易测性、低功耗等一些典型问题,并以工艺独立阶段和工艺映射阶段中ASIC 综合需要解决的问题为研究重点,结合实例分析了其中的关键环节,以期作为高性能ASIC 设计优化、可测性设计、设计验证等方向分析研究的前期工作.关键词:ASIC ;逻辑综合;可测性设计;低功耗中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:100624303(2007)022******* R esearch on some typical problems in the ASIC design flow ZHAN G Jiang 2ho ng ,H E Jian 2chun ,Tao Dong 2ya (College of Information Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310032,China ) Abstract :Wit h t he fast develop ment of IC fabricating technology ,research on SOC and ASIC modules cause more attention.According to t he design flow ,some typical p roblems ,such as log 2ic synt hesis ,testability and low power dissipation ,was discussed in t he paper.And most atten 2tion was paid on t he ASIC synt hesis in t he technology independency and technology mapping p ro 2cedure separately.We hope t hat t he research is a good guide for t he st udy on design optimization ,design for test and verification. K ey w ords :ASIC ;logic synt hesis ;design for test ;low power dissipation 0 引 言 随着集成电路设计制造技术的进步,系统芯片(SOC )得到快速发展.对SOC 中完成特定功能的专用集成电路(ASIC )的研究显得越来越重要.通常,ASIC 芯片在尺寸、耗电量、发热量和成本方面比一 般的IC 部件要求更高.近年来,由于鲁棒性设计方法和自动电路综合工具在芯片设计过程中的普遍应用,从高层次的设计描述到最后的芯片布图和掩模阶段的工作难度明显降低,导致ASIC 芯片和集成 了ASIC 模块的芯片的需求迅速上升.目前,从消费 电子到空间技术领域,ASIC 和具有ASIC 模块的半导体芯片都得到了广泛应用. 笔者研究了ASIC 设计流程中逻辑综合、易测性、功耗优化等关键问题,着重讨论设计流程、设计方法、综合和物理设计方面的问题. 1 ASIC 设计流程 ASIC 的设计制造工序繁多.产品的性能要求 一旦确定下来,就需要完成从高层次设计、电路综合

微处理器的低功耗芯片设计技术

微处理器的低功耗芯片设计技术 [日期:2008-1-7] 来源:单片机及嵌入式系统应用作者:同济大学周俊林正浩 [字体:大中小] 摘要随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高,功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。本文介绍了低功耗微处理器的研究现状,讨论了几种常用的微处理器低功耗设计技术。最后,对夸后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 关键词微处理器功耗低功耗芯片设计 随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高,芯片的功耗迅速增加,而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此,功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。为了使产品更具竞争力,工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。而微处理器作为数字系统的核心部件,其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有重要的意义。 2000年年初,Transmeta公司推出了Crusoe处理器,以其独特的低功耗设计技术和非凡的超低功耗表现,在业界引起巨大轰动,引发了低功耗处理器设计的激烈竞争。 在2006年的英特尔开发者论坛大会(Intel DeveloperForum)上,英特尔展示了多款基于下一代技术的微处理器。其中,Metom主要用于笔记本电脑,最大功耗仅有5W,而将于2 006年底上市的超低电压版Merom的功耗则只有0.5W;Conroe主要面向台式机,其最大功耗为65W,远远低于现有Pentium 4处理器的95W;服务器处理器Woodcrest的最大功耗为80W,而现有的Xeon处理器的功耗为110W。 本文首先介绍了微处理器的功耗来源,重点介绍了常用的低功耗设计技术,并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源 研究微处理器的低功耗设计技术,首先必须了解它的功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。

超低功耗系统设计

超低功耗系统设计 学院: 学号: 姓名:

基于MSP430单片机的开关稳压电源设计 MSP430系列单片机是美国TI公司生产的新一代16位单片机,是一种超低功耗的混合信号处理器(MixedSignal Processor),它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点,具有很高的性价比,在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。开关Boost稳压电源利用开关器件控制、无源磁性元件及电容元件的能量存储特性,从输入电压源获取分离的能量,暂时把能量以磁场的形式存储在电感器中,或以电场的形式存储在电容器中,然后将能量转换到负载。对DC—DC主回路采用Boost升压斩波电路。 2 系统结构和总设计方案 本开关稳压电源是以MSP430F449为主控制器件,它是TI公司生产的16位超低功耗特性的功能强大的单片机,其低功耗的优点有利于系统效率高的要求,且其ADCl2是高精度的12位A/D转换模块,有高速、通用的特点。这里使用MSP430完成电压反馈的PI调节;PWM波产生,基准电压设定;电压电流显示;过电流保护等。 系统框图如图1所示。 3 硬件电路设计 3.1 DC/DC转换电路设计 系统主硬件电路由电源部分、整流滤波电路、DC/DC转换电路、驱动电

路、MSP430单片机等部分组成。交流输入电压经整流滤波电路后经过DC/DC变换器,采用Boost升压斩波电路DC/DC变换,如图2所示: 根据升压斩波电路的工作原理一个周期内电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即: 式(1)中I1为输出电流,电感储能的大小通过的电流与电感值有关。在实际电路中电感的参数则与选取开关频率与输入/输出电压要求,根据实际电路的要求选用合适的电感值,且要注意其内阻不应过大,以免其损耗过大减小效率采样电路。对于电容的计算,在指定纹波电压限制下,它的大小的选取主要依据式(2): 式(2)中:C为电容的值;D1为占空比;TS为MOSFET的开关周期;I0为负载电流;V’为输出电压纹波。 3.2 采样电路 采样电路为电压采集与电流采集电路,采样电路如图3所示。其中P6.O,P6.1为MSP430芯片的采样通道,P6.O为电压采集,P6.1为电流采集。 电压采集因为采样信号要输入单片机MSP430内部,其内部采样基准电压选为2.5 V,因此要将输入的采样电压限制在2.5 V之下,考虑安全裕量则将输入电压限制在2 V以下,当输入电压为36 V时,采样电压为:12/ (12+200)×36=2.04 V,符合要求。 电流采集采用康铜丝进行采集。首先考虑效率问题,康铜丝不能选择过大,同时MSP430基准电压为2.5 V,且所需康铜丝需自制。考虑以上方面在康铜丝阻值选取上约为O.1Ω。 3.3 PWM驱动电路的设计 电力MOSFET驱动功率小,采用三极管驱动即可满足要求,驱动电路如图

EDA综合课程设计实验报告

EDA综合课程设计实验报告 题目:设计一个全双工UART电路院系:XXXX学院 学号:XXXXX 姓名:严XX 教师:林XX 时间:2012.06.02

1 课程设计的摘要原理 (2) 2 设计一个全双工UART电路,具体要求如下: (6) 3.UART设计 (7) 3.1 UART结构 (7) 3.2 UART的帧格式 (8) 4 UART的Verilog HDL语言设计 (9) 4.1 UART分频器 (9) 4.2UART发送模块 (10) 4.3 UART的接收模块 (14) 4.4 UART的硬件测试 (18) 5 课程设计总结 (19)

1摘要 UART协议是数据通信及控制系统中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议,在实际工业生产中有时并不使用UART的全部功能。只需将其核心功能集成即可。波特率发生器、接收器和发送器是UART的三个核心功能模块,利用Vefilog-HDL语言对这三个功能模块进行描述并加以整合UART(即Universal AsynchronousReceiver Transmitter 通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。串行外设用到RS232-C异步串行接口,一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件,这类芯片已经相当复杂,有的含有许多辅助的模块(如FIFO),有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件,那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL或Veriolog -HDL将UART的核心功能集成,从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术,基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。 实际应用上,有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。使用Verilog-HDL将所需要的UART的核心功能集成到FPGA/CPLD内部,就可以实现紧凑、稳定且可靠的UART数据传输。这样,既可以满足实际的应用,实现所要求的简单的通信和控制,又能够去除更多不需要的繁杂复杂的功能实现。 一、UART的原理 串行通信是指外部设备和计算机间使用一根数据线(另外需要地线,可能还需要控制线)进行数据传输的方式。数据在一根数据线上一位一位传输,每一位数据都占据一个固定的时间长度。与并行通信方式相比,串行通信方式的传输速度较慢,但这种通信方式使用的数据线少,在远距离通信中可以节约通信成本,因此得到了广泛的应用。 基本的UART只需要发送和接收两条数据线就可以完成数据的全双工通信,其基本功能是在发送端将控制器通过总线传过来的并行数据,以设定的格式,设定的频率串行地传输出去,并同时在接收端将串行接收到的数据,转换成相应的并行数据发送出去。UART的基本帧格式如图1所示。其中,起始位总是逻辑O状态,停止位总是逻辑l状态,其持续时间可选为1位、1.5位或2位,其数据位可为5、6、7、8位,校验位可根据需要选择奇校验位,偶校验位或无校验位。

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