時鐘信號控制方法及電路的制作方法
【專利摘要】一種時鐘信號控制方法及電路，用于互補金屬氧化物半導體電路中的中央處理單元，所述時鐘信號控制方法包含：當互補金屬氧化物半導體電路的負載電流被使能時，產(chǎn)生第一時鐘信號；在第一時段中，對第一時鐘信號的周期進行選擇性門控以產(chǎn)生第二時鐘信號，其中第二時鐘信號的時鐘速率低于第一時鐘信號的時鐘速率；以及在第二時段中，對門控周期進行抖動操作以使第二時鐘信號的時鐘速率增加至等同于第一時鐘信號的時鐘速率；其中在第一時段以及第二時段中，第二時鐘信號連續(xù)地被輸入至互補金屬氧化物半導體電路。本發(fā)明的時鐘信號控制方法及電路能夠消除當供應電源被打開時所引發(fā)的瞬時激波所造成的負面效應，以加強互補金屬氧化物半導體的效能。
【專利說明】時鐘信號控制方法及電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明所揭露的是關于時鐘信號控制方法及電路，更具體地說，本發(fā)明關于一種用于互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)電路中的中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)的時鐘信號控制方法及電路。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代計算器系統(tǒng)建構在互補金屬氧化物半導體技術的基礎上，為數(shù)眾多的便攜式電子裝置，諸如智能型手機以及平板計算機，使得運算技術需要在適當?shù)墓南氯员３值吐╇姟榱诉_到此需求，近代的互補金屬氧化物半導體技術操作在較低的操作電壓，并且使用具有較高臨界電壓的晶體管。
[0003]然而，上述特征會使得互補金屬氧化物半導體對于供應電壓的微小變化的抵抗能力下降，而能夠偵測工藝、電壓、溫度(Process-Voltage-Temperature, PVT)變化以及調(diào)整某些系統(tǒng)參數(shù)的感測電路則可用來解決上述問題，但是感測電路并無法控制時鐘周期變化所造成的功率變化。
[0004]由于智能型手機以及平板計算機的高功耗，近代的互補金屬氧化物半導體技術采用積極的時鐘門控技術以節(jié)省電池的電量消耗。當電子裝置未使用時，會關閉其時鐘信號，并且只有當用戶對其重新進行操作或是內(nèi)部指令要求時才會被啟動。積極的時鐘門控技術會產(chǎn)生很大的供應電源的電流變化,而供應電源可通過負載調(diào)整來適應這些電流變化,此夕卜，系統(tǒng)的封裝網(wǎng)絡電感(package network inductance)意味著任何電流變化會引起系統(tǒng)導體的電壓變化。上述的特性可能會造成時鐘門控時互補金屬氧化物半導體晶體管的電壓瞬降，例如在電子裝置在開啟的情況下，供應電源調(diào)整提供給電子裝置的功率電平的時候，供應電源中會出現(xiàn)瞬時激波(transi ent)。
[0005]為了能夠完全正常操作電子裝置，需要及早地處理此電壓耗損，例如使用模擬電路的解決方式，即額外地提供電壓給晶體管來補償電壓耗損，但此作法和互補金屬氧化物半導體的低操作電壓原則相悖，而數(shù)字控制方法則可提供較利落的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決互補金屬氧化物半導體電路中由于時鐘門控造成的瞬時激波的技術問題，本發(fā)明特提供以下的互補金屬氧化物半導體電路中的CPU的時鐘信號控制方法及電路。
[0007]一種時鐘信號控制方法，用于互補金屬氧化物半導體電路中的中央處理單元，包含:當互補金屬氧化物半導體電路的負載電流被使能時，產(chǎn)生第一時鐘信號；在第一時段中，對第一時鐘信號的周期進行選擇性門控以產(chǎn)生第二時鐘信號，其中第二時鐘信號的時鐘速率低于第一時鐘信號的時鐘速率；以及在第二時段中，對門控周期進行抖動操作以使第二時鐘信號的時鐘速率增加至等同于第一時鐘信號的時鐘速率；其中在第一時段以及第二時段中，第二時鐘信號連續(xù)地被輸入至互補金屬氧化物半導體電路。[0008]一種時鐘信號控制電路，其用于互補金屬氧化物半導體電路中的中央處理單元，包含:鎖相環(huán)電路，產(chǎn)生第一時鐘信號；以及軟式啟動電路，耦接至鎖相環(huán)電路，選擇性門控第一時鐘信號，以產(chǎn)生第二時鐘信號給中央處理單元，其中第二時鐘信號的速率被選擇性門控為至少在第一時段內(nèi)低于第一時鐘信號的速率。
[0009]本發(fā)明的時鐘控制方法及電路能夠通過消除當供應電源被打開時所引發(fā)的瞬時激波所造成的負面效應，以加強互補金屬氧化物半導體的效能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為效能、熱及功率管理系統(tǒng)的電路不意圖。
[0011]圖2為圖1所示的效能、熱及功率管理系統(tǒng)軟式啟動電路的電路示意圖。
[0012]圖3為依據(jù)本發(fā)明示范性實施例的時鐘控制方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]在說明書及權利要求書當中使用了某些詞匯來稱呼特定的組件。本領域的技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求書并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準貝U。在通篇說明書及權利要求書當中所提及的“包含”是開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一詞在此是包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接于第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接于第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電氣連接到第二裝置。
[0014]圖1 為效能、熱及功率(performance, thermal and power, PTP)管理系統(tǒng) 100 的功能圖。效能、熱及功率管理系統(tǒng)100包含有耦接至功率管理集成電路110的芯片150，而電路可以是芯片內(nèi)(on-chip)或是芯片外(off-chip)的設計。芯片150包含模擬電路130、處理器(例如中央處理單兀(Central Processing Unit, CPU)) 120以及核心電路140。核心電路140包含有效能、熱及功率控制器145，用來控制處理器120以及模擬電路130的操作。處理器120包含有頻率控制電路121、感測模塊123以及時鐘傳感器125，其中頻率控制電路121耦接至模擬電路130。感測模塊123可以包含一種或是多種類型的傳感器，例如電壓傳感器、溫度傳感器、工作負載傳感器或是可靠度傳感器。芯片150可以是電熔絲(eFuse )、閃存或是任何其他內(nèi)存類型。
[0015]時鐘傳感器125包含有軟式啟動(soft start)電路，軟式啟動電路耦接至鎖相環(huán)的輸出，眾所皆知，鎖相環(huán)用來在電子裝置中產(chǎn)生脈沖時鐘信號。在電子裝置的閑置期間，鎖相環(huán)會停止工作；一旦效能、熱及功率管理系統(tǒng)100接收到來自使用者或是內(nèi)部的命令，鎖相環(huán)便會運作并產(chǎn)生時鐘信號。
[0016]鎖相環(huán)所產(chǎn)生的時鐘信號會被輸入至軟式啟動電路。若是時鐘信號直接被輸入至核心電路140，則會導致從供應電源汲取的電流產(chǎn)生很大的改變而造成電壓瞬時激波(transient)。
[0017]請參考圖2，圖2為軟式啟動電路170的示意圖。如后續(xù)說明書內(nèi)文所詳述，軟式啟動電路170會依據(jù)所產(chǎn)生的使能信號來選擇性地門控鎖相環(huán)(未顯示于圖中)所產(chǎn)生的頻率。軟式啟動電路170包含有根時鐘門控電路(root clock gate circuit) 190,用以從核心電路140接收時鐘輸入信號(clock in)并且提供時鐘輸出信號(clock out)。除此之夕卜，頻率輸入信號另被提供至自動停止偵測電路(auto stop detect circuit) 175以及時鐘跳過抖動(clock skip dither)電路193，自動停止偵測電路175以及時鐘跳過抖動電路193亦接收時鐘使能信號。時鐘跳過抖動電路193會產(chǎn)生一個抖動時鐘使能輸出(ditherclock enable output)至根時鐘門控電路190。時鐘跳過抖動電路193另稱接至斜波產(chǎn)生器(ramp generator) 181、保持關閉延遲(hold-off delay)電路187以及主狀態(tài)機(mainstate machine) 195?？刂?狀態(tài)接口 180用來提供控制信號給上述的電路。上面提到的時鐘跳過抖動電路193根據(jù)主狀態(tài)機195的控制，接收鎖相環(huán)的時鐘信號的輸入以及斜波產(chǎn)生器181產(chǎn)生的斜波，從而產(chǎn)生抖動時鐘使能輸出信號，并提供給根時鐘門控電路190。根時鐘門控電路190根據(jù)時鐘跳過抖動電路193產(chǎn)生的抖動時鐘使能輸出信號，選擇性地門控鎖相環(huán)的時鐘輸入，從而產(chǎn)生需要的時鐘輸出信號。其中自動停止偵測電路175接收自由振蕩時鐘的輸入而提供時鐘給主狀態(tài)機175。請注意，斜波產(chǎn)生器181在主狀態(tài)機195的控制下，在需要的時候提供生成的斜波給時鐘跳過抖動電路193，從而使時鐘跳過的時鐘周期逐漸變少。本領域的技術人員也可以采用其它的方式來調(diào)整時鐘周期，此處不再贅述。
[0018]如上所述，若是直接使用鎖相環(huán)來產(chǎn)生中央處理單元的時鐘，可能會造成電壓瞬時激波。本發(fā)明因此提出一種兩階段控制方法來控制時鐘信號。
[0019]在該兩階段控制方法的第一階段中，軟式啟動電路170每間隔一個時鐘周期就選擇性地門控鎖相環(huán)所產(chǎn)生的時鐘信號，好讓該時鐘能夠有效地以二分之一的速度來啟用。在其他實施例中，軟式啟動電路170也可用低于二分之一的速度來啟用，例如是三分之一或四分之一等。換句話說，軟式啟動電路可以用低于鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘信號的速度來啟用，這可以參考瞬時激波的干擾的強度及大小來進行判斷。盡管供應電源仍有可能會產(chǎn)生瞬時激波，選擇性門控時鐘可以讓電子裝置中的邏輯電路具有相較于傳統(tǒng)作法的兩倍(在二分之一的情形下)的啟動時間(setup time)。較長的啟動時間可允許晶體管能夠在瞬時激波的干擾引起的較慢的操作速度下運作。
[0020]一旦電源瞬時激波穩(wěn)定下來，上述第一階段便可結束。在一些實施例中，可監(jiān)控系統(tǒng)來判斷負載是否穩(wěn)定以決定進入下一階段的時機。而實務上由于負載穩(wěn)定所需的時間已知跟特定封裝網(wǎng)絡有關，因此大部分采用一個預定時段。
[0021]兩階段控制方法的第二階段包含對所有門控關閉(gated-off )的頻率進行抖動操作，直到頻率增加到正常速度為止。鎖相環(huán)在整個過程中會持續(xù)以全速操作，對頻率進行抖動操作則可以控制時鐘信號的有效頻率。
[0022]假設鎖相環(huán)所產(chǎn)生的時鐘信號的一個周期具有100個輸入時鐘的周期，兩階段控制方法的第一階段中的選擇性門控使其中50個輸入時鐘周期被允許通過，而門控關閉另外的50個輸入時鐘周期。在兩階段控制方法的抖動階段中，時鐘門控使能的信號會從二分之一逐漸斜升至100%，且不會造成額外的瞬時激波。被門控關閉的信號會以穩(wěn)定的速度降低，變成門控關閉49個輸入時鐘周期，然后是48個輸入時鐘周期，然后是47個輸入時鐘周期，以此類推。時鐘信號將不會以高于供應電源能夠追蹤的速度來增加至全速，換句話說，有效時鐘的增加速度必在供應電源的帶寬范圍內(nèi)。
[0023]在兩階段控制方法結束之后，時鐘會操作在全速且負載電流也會維持在最大值，接下來，此兩參數(shù)可繼續(xù)操作在最大值，直到下一次的空閑時間來到，屆時負載電流會被降低且時鐘信號會被門控關閉。
[0024]請參考圖3，圖3為本發(fā)明的時鐘斜升機制的示意圖。于圖3中，A代表鎖相環(huán)輸出的時鐘信號(如圖2所示的時鐘輸入)，B代表軟式啟動電路170所輸出的時鐘信號(如圖2所示的時鐘輸出)。圖3同時繪示效能、熱及功率管理系統(tǒng)100的負載電流以及供應電源瞬時激波。
[0025]在圖3中的階段I中(即兩階段控制方法中的第一階段)，會增加負載電流而對輸入頻率A門控，使得例如僅有半數(shù)的輸入時鐘周期會被輸出。此半速時鐘會維持一段夠久的時間，好讓所有瞬時激波能穩(wěn)定下來。接著，在圖3中的階段2中(即兩階段控制方法中的第二階段)，通過減少門控關閉時鐘的數(shù)量來將時鐘速度緩慢地斜升至100%，如增加的負載電流所示，此外，斜升率(ramping rate)必須要足夠慢以確保不產(chǎn)生任何額外的瞬時激波。第二階段的時段可以是一段預定時間或是可程序化設定。在階段2的尾聲，輸出時鐘會操作在全速，即取消對所有時鐘的門控關閉，且時鐘信號A等于時鐘信號B。在圖3的最后階段中，時鐘被停止且負載電流被關閉。
[0026]應注意的是，在本發(fā)明的示范性實施例中，提出在第一階段對時鐘進行門控使得一半的時鐘部分被門控關閉，然而也可對一半以上或是一半以下的時鐘部分進行門控關閉。此外，也可改變兩階段控制方法中各階段的時間長度。換句話說，上述范例僅為本發(fā)明的較佳實施例。
[0027]本發(fā)明的兩階段控制方法能夠通過消除當供應電源被打開時所引發(fā)的瞬時激波所造成的負面效應，以加強互補金屬氧化物半導體的效能。在第一階段中選擇性地對輸入時鐘進行門控操作可增加邏輯電路的操作時間，因此得以降低對晶體管的速度要求。在第二階段中選擇性地對這些門控時鐘進行抖動操作可讓頻率速度增加至100%而不會引發(fā)額外的瞬時激波。
[0028]本領域中技術人員應能理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明做許多更動與改變。因此，上述本發(fā)明的范圍具體應以后附的權利要求界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種時鐘信號控制方法，其用于互補金屬氧化物半導體電路中的中央處理單元，包含: 當所述互補金屬氧化物半導體電路的負載電流被使能時，產(chǎn)生第一時鐘信號； 在第一時段中，對所述第一時鐘信號的時鐘周期進行選擇性門控以產(chǎn)生第二時鐘信號，其中所述第二時鐘信號的時鐘速率低于所述第一時鐘信號的時鐘速率；以及 在第二時段中，對門控的時鐘周期進行抖動操作，以使所述第二時鐘信號的所述時鐘速率增加至等同于所述第一時鐘信號的所述時鐘速率； 其中在所述第一時段以及所述第二時段中，所述第二時鐘信號連續(xù)地被輸入至所述互補金屬氧化物半導體電路。
2.如權利要求1所述的時鐘信號控制方法，其特征在于，在所述第一時段中，所述第一時鐘信號每間隔一個時鐘周期就被門控關閉，使得所述第二時鐘信號的所述時鐘速率為所述第一時鐘信號的所述時鐘速率的二分之一。
3.如權利要求2所述的時鐘信號控制方法，其特征在于，所述第一時段的時間長度等于讓所述第二時鐘信號中的瞬時激波安定的時段。
4.如權利要求1所述的時鐘信號控制方法，其特征在于，所述第一時段的時間長度為基于所述互補金屬氧化物半導體電路的預定時間。
5.如權利要求1所述的時鐘信號控制方法，其特征在于，對門控的時鐘周期進行抖動操作的步驟包含有: 以穩(wěn)定速率逐漸減少門控的時鐘周期的數(shù)量，直到?jīng)]有時鐘周期處于門控關閉的情況為止； 其中所述穩(wěn)定速率為位于所述互補金屬氧化物半導體電路的供應電源的帶寬范圍內(nèi)的速率。
6.如權利要求1所述的時鐘信號控制方法，其特征在于，所述第一時鐘信號由鎖相環(huán)所產(chǎn)生。
7.—種時鐘信號控制電路，其用于互補金屬氧化物半導體電路中的中央處理單元，包含: 鎖相環(huán)電路，產(chǎn)生第一時鐘信號；以及 軟式啟動電路，耦接至所述鎖相環(huán)電路，選擇性門控所述第一時鐘信號，以產(chǎn)生第二時鐘信號給所述中央處理單元， 其中所述第二時鐘信號的速率被選擇性門控為至少在第一時段內(nèi)低于所述第一時鐘信號的速率。
8.如權利要求7所述的時鐘信號控制電路，其特征在于，所述第一時段為所述軟式啟動電路在被啟動時開始的一段時間。
9.如權利要求7所述的時鐘信號控制電路，其特征在于，所述軟式啟動電路包含: 斜波產(chǎn)生器； 時鐘跳過抖動電路，耦接所述斜波產(chǎn)生器，根據(jù)所述第一時鐘信號與所述斜波產(chǎn)生器，產(chǎn)生抖動時鐘使能輸出信號；以及 根時鐘門控電路，耦接所述時鐘跳過抖動電路，根據(jù)所述第一時鐘信號與所述抖動時鐘使能輸出信號來產(chǎn)生所述第二時鐘信號，以使所述第二時鐘信號的速率在第二時段內(nèi)升至所述第一時鐘信號的速率。
10.如權利要求8所述的時鐘信號控制電路，其特征在于，在所述第一時段中，所述第一時鐘信號每間隔一個時鐘周期就被門控關閉，使得所述第二時鐘信號的速率為所述第一時鐘信號的速率的二分之 一。
【文檔編號】H03L7/099GK103716045SQ201310445564
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權日:2012年9月28日
【發(fā)明者】休·托馬斯·梅爾, 戈登·葛米, 王愛麗, 柯又銘 申請人:聯(lián)發(fā)科技（新加坡）私人有限公司