摘要

將PCI Express用于計算應(yīng)用（服務(wù)器、組網(wǎng)、筆記本電腦等）的連通性方面在一段時間內(nèi)相當流行，同時，在較小的、電池動力裝置（電話、平板電腦、手表等）內(nèi)的使用正變得更加廣泛。由于計算應(yīng)用環(huán)境下設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信量的增加，產(chǎn)生較大的功率要求，正是由于該原因，設(shè)計人員致力于尋找降低其SOC在低強度或空閑時期功率的方法。較小的、電池動力裝置常處于空閑和深度睡眠模式，但對于這類深度節(jié)電模式，其代價是，切換回正常工作模式時恢復(fù)時間較長。

對于使用PCI Express的設(shè)計人員，通過將PCI Express IP集成在其SOC中，對其目標應(yīng)用的功率產(chǎn)生了積極的影響，這是因為除了協(xié)議所提供的節(jié)能技術(shù)之外，還有高級功率管理技術(shù)可以控制功耗。采用時鐘門控技術(shù)可以處理動態(tài)功耗事宜，但對靜態(tài)功耗無任何作用。電源門控技術(shù)是實現(xiàn)最大程度節(jié)能的理想選擇，這是因為它能降低因縮小的特征尺寸而導(dǎo)致更大的靜態(tài)功耗。在深度節(jié)電模式下，電源門控PCI Express IP在典型情況下需要PCI Express鏈路再訓練或再配置，并將延長恢復(fù)時間，這在很多情形下是不希望的，所以是一項重大挑戰(zhàn)。

在本文中，以PCI Express IP為例，介紹了三種節(jié)能技術(shù)，以及設(shè)計人員如何使用協(xié)議和設(shè)計工具的功率管理特性來為需要快速恢復(fù)的裝置提供高能效SoC的方法。

1. 時鐘門控技術(shù)：綜合工具
現(xiàn)代綜合工具提供了數(shù)種時鐘功率管理技術(shù)，如傳統(tǒng)的時鐘門控和自門控。在傳統(tǒng)時鐘門控方面，綜合工具尋找條件，將其組合在一起以形成時鐘使能（EN），這樣可以關(guān)斷時鐘到觸發(fā)器的通路。這里介紹集成式時鐘門控（ICG）單元，使用EN，對系列觸發(fā)器的時鐘進行關(guān)斷，如圖1所示。對于自門控技術(shù)，如果觸發(fā)器的輸入不變，將關(guān)斷觸發(fā)器時鐘；觸發(fā)器的的輸出與輸入異或，用作ICG中的時鐘使能（EN）。

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圖1. 傳統(tǒng)的時鐘門控（左）與自門控（右）

本策略導(dǎo)致了高能效CE，但由于額外的邏輯開銷，面積略有增大。綜合工具通常在插入傳統(tǒng)時鐘門后使用自門控，以增強CE，針對面積權(quán)衡，進一步降低能耗。使用功率分析工具，可對該自動方法進行評估和優(yōu)化，它能通報已有時鐘門的效率，并揭示進一步插入時鐘門的機會。對于數(shù)種使用情形，這類報告可用于進一步優(yōu)化時鐘門插入。

優(yōu)化的傳統(tǒng)時鐘門控和PCI Express IP能實現(xiàn)至少40%的節(jié)能效果，并會將28納米技術(shù)節(jié)點上的面積降低約9%。
傳統(tǒng)時鐘門插入之后的自門控策略能夠降低至少5%的能耗，并會使面積增大約1%。在16納米FinFET （16FF）技術(shù)節(jié)點上，綜合工具時鐘門控（傳統(tǒng)時鐘門控+自門控）能達到25%的節(jié)能效果。圖2。

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圖2. 時鐘門控工具的節(jié)能效果

2. 時鐘門控技術(shù)： PCI Express IP
雖然工具插入式時鐘節(jié)能技術(shù)能夠顯著降低功耗，它們并未完全考慮設(shè)計層次。從設(shè)計方面獲取的CE僅作用于觸發(fā)器上，僅在每一觸發(fā)器的時鐘輸入處選通時鐘，如圖3所示。存在這方面的抱怨，工具插入式時鐘門控過于“細微”，未考慮穿過整個層次的時鐘樹。

時鐘樹包括分布在整個設(shè)計中的時鐘驅(qū)動和時鐘門控單元，切換與驅(qū)動邏輯無關(guān)。對于高度復(fù)雜的設(shè)計，時鐘樹會消耗至少25%的待機功耗。在層次結(jié)構(gòu)的根部關(guān)斷時鐘，可降低功耗，原因在于時鐘樹切換，這是一種需要考慮到架構(gòu)的設(shè)計決定。

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圖3. 時鐘脈沖門插入后的典型設(shè)計

作為示例，考慮PCI Express IP設(shè)計和ARM? AMBA?接口以及3個時鐘域，如圖4所示。AMBA主設(shè)備接收PCI Express請求，并將其轉(zhuǎn)換為AMBA事務(wù)，所述事務(wù)將被發(fā)送至AMBA主時鐘上的應(yīng)用層。AMBA從設(shè)備處理從應(yīng)用層傳出的AMBA事務(wù)，在AMBA從時鐘上將其轉(zhuǎn)換為PCI Express請求。剩余塊執(zhí)行具體的PCI Express功能，對在核時鐘或參考時鐘線上的往返請求進行處理。

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圖4. PCI Express IP和3個時鐘域

存在多種具有AMBA主/從空閑的場景，完全獨立于PCI Express鏈路狀態(tài)：
1. 對于從線路來的入站請求，需要本地核時鐘域和AMBA主時鐘域，以保持運行，同時關(guān)斷AMBA從時鐘。
2. 對于來自應(yīng)用層的出站請求，需要AMBA從時鐘和本地核時鐘域保持運行，同時關(guān)斷AMBA主時鐘。
3. 對于不需要應(yīng)用邏輯干預(yù)的入站/出站請求，僅需要本地核時鐘域，與此同時，可關(guān)斷AMBA主和從時鐘。

結(jié)構(gòu)模塊中的時鐘門控不需要遵守PCI Express的鏈路功率管理狀態(tài)。如果在特定方向上沒有未決請求，可斷開待機結(jié)構(gòu)模塊的時鐘。在AMBA主從時鐘塊中，可在根部關(guān)斷時鐘，從而降低特定時鐘樹消耗的功率。對于情形3，在PCI Express IP中實施相同方案能夠節(jié)省至少10%的功率，并將待機處理效率提高至少10%。

在表1中，介紹了滿負荷通信和待機狀態(tài)下的功耗，采用和未采用結(jié)構(gòu)化時鐘門控實施。

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表1. 關(guān)于結(jié)構(gòu)化時鐘門控實施的功耗比較

3. 時鐘門控和電源門控技術(shù)：PCI Express協(xié)議
PCI Express協(xié)議允許實施功率優(yōu)化，其方式是通過更精細的鏈路狀態(tài)實現(xiàn)，L0、L1（子狀態(tài)）和L2/L3，根據(jù)規(guī)范將其定義為功率管理狀態(tài)。要想退出L2和L3狀態(tài)，需恢復(fù)電源并再次對鏈路進行訓練，從而導(dǎo)致更長的恢復(fù)時間。在L0和L1（子狀態(tài)）下，采用時鐘門控技術(shù)以便將恢復(fù)時間降至最低。考慮在章節(jié)2中介紹的PCI Express IP設(shè)計，在L0下，可選通AMBA主從時鐘，具體情況取決于L0下的路徑方向，而在L1子狀態(tài)下不需要參考時鐘。因此，即使在不停止鎖相環(huán)（PLL）的情況下也能斷開本地核心時鐘，PLL可生成核心時鐘以避免重啟PLL時的延遲。該情形下的功耗是所有時鐘門控技術(shù)中最低的，僅在數(shù)字和模擬電路中存在泄漏功率。

如果能夠容忍高至5倍的恢復(fù)時間，就能在L1.1子狀態(tài)下斷開PLL和發(fā)送器/接收器，與僅具有時鐘門控的L1.1子狀態(tài)相比，可實現(xiàn)高至97.5%的節(jié)能效果。如果能夠容忍高至15倍的恢復(fù)時間，在L1.2子狀態(tài)下甚至能斷開共模電壓，將功耗降至0.05%。

PCI Express提供了基于消息的系統(tǒng)功率處理協(xié)助技術(shù)，如延遲容許通報（LTR）和優(yōu)化緩沖清除/填滿（OBFF）。使用LTR，能夠?qū)⑾掠窝b置容許的最大延遲傳遞到上游，使得主機軟件能夠了解無縫鏈路操作所需的恢復(fù)時間。使用OBFF，主機軟件能夠?qū)⑾到y(tǒng)狀態(tài)傳輸至具有主線總控能力的下游裝置，使用它們來優(yōu)化傳輸排程，并使系統(tǒng)在節(jié)能模式下工作的時間更長。例如，如果系統(tǒng)處于低功率狀態(tài)，例行DMA傳輸會出現(xiàn)延遲。對于從LTR收集的信息，它能用于決定將待機時間延長多少，以便允許更高的貌似可行的節(jié)能。

結(jié)論
在具有預(yù)期快速恢復(fù)時間的零散通信和待機過程中，功率管理對于裝置尤為重要。采用基于工具的設(shè)計相關(guān)和協(xié)議相關(guān)時鐘門控技術(shù)，對于諸如PCI Express的接口IP設(shè)計，可實現(xiàn)最大節(jié)能。當需要近乎為零的恢復(fù)時間時，時鐘門控解決方案可達到優(yōu)異的結(jié)果。通過避免PCI Express鏈路再訓練和再配置，可實現(xiàn)最大節(jié)能和更快的恢復(fù)時間。

對于Synopsys針對PCI Express技術(shù)的DesignWare IP解決方案，它利用了基于工具的時鐘門插入技術(shù)的優(yōu)點。

包括依賴并獨立于PCI Express鏈路功率狀態(tài)的結(jié)構(gòu)化時鐘門控塊；

支持L1子狀態(tài)下的PCI Express時鐘功率管理；

提供電源門控解決方案，以及針對L1.2子狀態(tài)的功率島和寄存器保持方法（避免鏈路再訓練），支持功率管理協(xié)助特性，如延遲容許通報（LTR）和優(yōu)化緩沖清除/填滿（OBFF）。

支持所有的PCI Express功率管理功能，包含更長的恢復(fù)時間，如動態(tài)上下鏈路配置和L2/L3功率門控。

使用支持這些特性的PCI Express IP，可幫助設(shè)計人員提供高能效SoC。

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