專利名稱：一種頻率動態(tài)可變的數(shù)字電路時鐘源的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般涉及含有同步時序數(shù)字電路的系統(tǒng)，諸如需要動態(tài)改變性能和 功耗的各種含同步時序電路的電子設(shè)備，采用本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)動態(tài)的、 超過三個數(shù)量級頻率范圍的數(shù)字電路時鐘頻率控制，最大限度的減少電子設(shè)備 的無效功沖毛。具體地說，本發(fā)明涉及的是用控制時鐘頻率的方法來動態(tài)控制電
子設(shè)備的性能和功耗；在電子系統(tǒng)少有或沒有工作任務(wù)時，使系統(tǒng)工作在足夠 低的時鐘頻率下，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的；在電子系統(tǒng)工作任務(wù)增加時，可 以實時的將系統(tǒng)時鐘頻率提高來滿足系統(tǒng)的性能要求，時鐘頻率可以實時提高 直至最高工作頻率。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)實生活中，很多含同步時序電路(如電子數(shù)字計算機(jī))的電子設(shè)備的 并不總是滿負(fù)荷工作，為了降低功耗，在系統(tǒng)輕載或無載時停止部分電路的工 作、讓系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或睡眠狀態(tài)是常見的減少無效功耗的方法，對于需要 實時的從低功耗狀態(tài)恢復(fù)到滿負(fù)荷工作狀態(tài)的電子設(shè)備，這些降低功耗的方法 是難于滿足要求的。
現(xiàn)在的同步時序電路基本都是CMOS數(shù)字電路，CMOS數(shù)字電路的性能和 動態(tài)功耗都與時鐘頻率成正比，而且CMOS數(shù)字電路的靜態(tài)功耗很低幾乎可以 忽略不計，如果實時動態(tài)的控制CMOS數(shù)字電路的時鐘頻率，就可以使含同步 時序電路的電子設(shè)備具有最佳的性能和功耗比值。
本發(fā)明提供了一種動態(tài)控制數(shù)字電路系統(tǒng)時鐘源工作頻率的實現(xiàn)方法，時 鐘頻率的實時變化范圍可以超過3個數(shù)量級，因此可以在系統(tǒng)少或輕載時降低 系統(tǒng)時鐘頻率，使系統(tǒng)工作在可以用電池供電的低功耗狀態(tài)下，而且不用進(jìn)入 待機(jī)或睡眠狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載增加時，在幾個時鐘周期內(nèi)即可以提高時鐘頻率 直至最高工作頻率來滿足性能要求，實現(xiàn)電子設(shè)備的高性能和低功耗。
采用本發(fā)明提供的方法， 一個同步數(shù)字電路系統(tǒng)可以有多個不同頻率的時 鐘源，例如三個頻率的時鐘源， 一個低頻時鐘(1-1000 KHz)使系統(tǒng)的功耗降 到極低的水平， 一個中頻時鐘(1-100MHz)使系統(tǒng)工作在中等性能下， 一個高 頻時鐘(0.1-10GHz)使系統(tǒng)的性能發(fā)揮到極限，切換時鐘源只需要幾個時鐘周 期，不需要的時鐘源可以停止工作而進(jìn)一步降低功耗。由于時鐘源的頻率變化 耗時少，系統(tǒng)可以為每個工作任務(wù)設(shè)定一個工作時鐘頻率， 一個工作任務(wù)獲得 對系統(tǒng)的控制后，首先將時鐘頻率設(shè)置為本工作任務(wù)的時鐘頻率，任務(wù)調(diào)度持 續(xù)重新獲得對系統(tǒng)的控制后，再將時鐘頻率恢復(fù)為任務(wù)調(diào)度時鐘頻率，這樣就 可以保持對工作任務(wù)請求的實時響應(yīng)和執(zhí)行，又可以及時將系統(tǒng)恢復(fù)到低功耗 狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法提供了 一種同步時序數(shù)字電路的頻率動態(tài)可變的時鐘源電路 的實現(xiàn)方法，時鐘源電路由如下部件的全部或部分構(gòu)成，每個部件的數(shù)量可以
是0或1或更多
1. 帶或不帶使能控制信號的參考時鐘源；
2. 頻率動態(tài)可變的時鐘信號發(fā)生器；
3. 可變分頻系數(shù)的分頻計數(shù)器；
4. 基于相位鎖定環(huán)(Phase Lock Loop )或延時鎖定環(huán)(Delay Lock Loop )
的頻率倍增振蕩器。
采用本發(fā)明的方法實現(xiàn)的動態(tài)可變頻率時鐘源電路，可以滿足各種靜態(tài)或 (和)動態(tài)同步時序數(shù)字電路系統(tǒng)的要求。時鐘輸出的頻率范圍沒有限制，既 可以是電路最高工作頻率，也可以是比電路最高工作頻率低數(shù)個數(shù)量級的頻率。 時鐘輸出既可以是占空比為1:1的單相或多相信號，也可以是占空比不是l:l的 單相或多相信號。


以下首先對本發(fā)明說明書的附圖進(jìn)行簡單的介紹，然后再結(jié)合這些附圖對 本發(fā)明的各個實施范例進(jìn)行介紹，說明本發(fā)明的原理和優(yōu)點。
在附圖中
圖1為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的參考時鐘源(0000)的示意圖。
圖2為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的時鐘信號發(fā)生器(1000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的分頻計數(shù)器(2000)的電路 結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的倍頻時鐘源(3000)的示意圖。
圖5為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速時鐘發(fā)生器(4000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的高速時鐘發(fā)生器(5000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖7為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速動態(tài)時鐘源(6000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。圖8為按照本發(fā)明的一個優(yōu)逸實施范例設(shè)計的高速動態(tài)時鐘源(7000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖9為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速組合時鐘源(8000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖IO為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的高速組合時鐘源(卯oo)的
電路結(jié)構(gòu)框圖。 具體實施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種頻率動態(tài)可變的時鐘源電路(以下筒稱可變時鐘源)的
實現(xiàn)方法，可變時鐘源電路由參考時鐘源(0000)、時鐘信號發(fā)生器(1000)、 分頻計數(shù)器(2000)、倍頻時鐘源(3000,可以沒有)等部件構(gòu)成，其工作原理 如下
1. 參考時鐘源(0000)產(chǎn)生參考頻率時鐘信號(0900);
2. 時鐘信號發(fā)生器(1000 )在參考頻率時鐘(0卯0 )和翻轉(zhuǎn)控制信號(1040) 的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)可變的輸出時鐘信號(1900);
3. 分頻計數(shù)器(2000 )按照設(shè)定的分頻系數(shù)(2040 )對時鐘信號(2010) 分頻，產(chǎn)生周期性的翻轉(zhuǎn)控制信號(2900);
4. 倍頻時鐘源(3000)按照設(shè)定的頻率倍增系數(shù)(3060)產(chǎn)生高于參考 時鐘頻率的時鐘信號(3卯0),在需要時替代參考時鐘信號去激勵時鐘 信號發(fā)生器(1000)和分頻計數(shù)器(2000)，以產(chǎn)生頻率高于參考時鐘 頻率的輸出時鐘。
圖1為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的參考時鐘源(0000)的示意 圖。使能信號(0010)無效時，參考時鐘源不工作，使能信號(0010)有效時， 參考時鐘源(0000)不間斷的輸出參考時鐘信號(0900)。
圖2為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的輸出時鐘源(1000)的電路 結(jié)構(gòu)框圖。圖中(1500)、 ( 1600^ ( 1700)是D鎖，器，D鎖存器(1500)和
(1700)的等效邏輯操作是g-(Z&五)&D+^: + ^&g， D鎖存器(1600) 的等效邏輯操作是Q-(K&五)&D + (^ +司&e。 ( 1010)是輸入時鐘信號，這 個信號可以是來自參考時鐘源(圖1)的信號(0900)也可以是來自倍頻時鐘源
(圖4)的信號(3900); D鎖存器(1500)和D鎖存器(1600)構(gòu)成了翻轉(zhuǎn)觸 發(fā)器(1400),信號(1030)是(1400)的使能信號，信號(1040)是(1400) 的翻轉(zhuǎn)控制信號，即來自分頻計數(shù)器(圖3)的信號(2900), D鎖存器(1700) 的輸出信號(1130)相對D鎖存器(1600)的輸出信號(2120)延遲半個時鐘 周期，信號(1020)是D鎖存器(1700)的使能信號，(1020)有效時，輸出時 鐘信號(l卯O )頻率是信號(1120 )頻率的2倍，(1020 )無效時，信號(1900) 和信號(1120 )同頻率。信號(1020 )和(1040)決定信號(1900 )的頻率，(1900)的頻率和時鐘(1010)頻率比值可以是l、 1/2、 1/4、 1/6、 1/8、…。
圖3為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的分頻計數(shù)器(2000)的電路 結(jié)構(gòu)框圖。這個模塊的作用是按照設(shè)置的分頻系數(shù)(2040)周期性的產(chǎn)生一個 單時鐘周期的脈沖信號(2卯0)，這個信號被送往輸出時鐘源(1000)去控制圖 2中的信號(1120)的翻轉(zhuǎn)。分頻系數(shù)(2040)的比特數(shù)受到輸入時鐘(2010) 頻率的限制，(2010)頻率高時，(2040)的比特數(shù)可能低至2bit， (2010)頻率 較低時，(2040)的比特數(shù)可以適當(dāng)增加，以增加輸出信號(2900)的頻率變化 范圍。信號(2110)是鎖存后的分頻系數(shù)N,信號(2120)是除N分頻計數(shù)器 的計數(shù)值，信號(2130)是除N分頻計數(shù)的清零或置數(shù)信號。
圖4為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的倍頻時鐘源(3000)的示意 圖。參考時鐘源(0000) —般是一個芯片外的晶體振蕩器，因此參考時鐘頻率 難于提高到芯片內(nèi)電路工作的最高時鐘頻率，如杲芯片需要工作在高時鐘頻率 時，芯片內(nèi)的時鐘源電路就需要有倍頻時鐘源(3000)，其作用就是按照設(shè)置的 倍頻系數(shù)(3060)產(chǎn)生頻率是參考時鐘(3010)頻率的整數(shù)倍的時鐘信號(3900)。 倍頻時鐘源(3000)的主要部件是相位鎖定環(huán)(Phase Lock Loop)或延時鎖定 環(huán)(Delay Lock Loop),不是本發(fā)明申請需要說明的內(nèi)容，這里不多說明。
圖5為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速時鐘源(4000)的電路 結(jié)構(gòu)框圖。電路由一個輸出時鐘源(1000)和一個分頻計數(shù)器(2000)構(gòu)成， 直接采用參考時鐘(4010)作為電路時鐘，在控制信號(4020)、 (4030)和(4040) 的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)變化的輸出時鐘(4卯0),各個控制信號的功能在圖1、 圖2和圖3的說明中均有描述。
圖6為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的高速時鐘源(5000)的電路 結(jié)構(gòu)框圖。電路由一個輸出時鐘源(1000)、 一個分頻計數(shù)器(2000)和一個倍 頻時鐘源(3000)構(gòu)成，參考時鐘(5010)經(jīng)過倍頻后成為高頻時鐘(5110) 作為電路時鐘，在控制信號(5020)、 (5030)、 (5040)和(5060)的控制下產(chǎn) 生頻率動態(tài)變化的輸出時鐘(5900)，各個控制信號的功能在圖1、圖2、圖3 和圖4的說明中均有描述。
圖7為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速動態(tài)時鐘源(6000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。電路由一個參考時鐘源(0000)和兩個中速時鐘源(4000)構(gòu) 成，在控制信號(6020 )、 (6030 )、 (6040 )、 (6050 )、 ( 6120 )、 (6130)和(6140) 的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)變化的輸出時鐘(6卯0),各個控制信號的功能可見困1 和圖5的說明。兩個中速時鐘源(4000)的級聯(lián)是為了產(chǎn)生的輸出時鐘頻率有 足夠大的變化范圍，如果參考時鐘頻率較低或只需要較小的頻率變化范圍，可 以只需要一個中速時鐘源(4000)。
圖8為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的高速動態(tài)時鐘源(7000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。電路由一個參考時鐘源(0000)、 一個高速時鐘源(5000)和兩 個中速時鐘源(4000)構(gòu)成，在控制信號(4020)、 (4030)和(4040)的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)變化的輸出時鐘(4090),各個控制信號的功能可見圖l和圖5 和圖6的說明。 一個高速時鐘源(5000)和兩個中速時鐘源(4000)的級耳關(guān)是 為了產(chǎn)生有足夠大的變化范圍的輸出時鐘頻率，如果只需要較小的頻率變化范 圍，可以只需要一個或不用中速時鐘源(4000)。
圖9為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的中速組合時鐘源(8000)的 電^各結(jié)構(gòu)框圖。電路由兩個參考時鐘源(0000)、三個中速時鐘源(4000)和一 個時鐘選擇器(8800)構(gòu)成。在控制信號(8020)、 (8040)、 (8050)、 (8120)、 (8"0)、 (8150)、 (8220)和(8240)的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)變化的輸出時鐘 (8900),各個控制信號的功能可見圖l和圖5的說明。兩個參考時鐘源(0000) 分別工作在低頻率(8010 )和中頻率(8110 )，由時鐘選擇器(8800 )在信號(8330 ) 的控制下選擇由哪一個參考時鐘源(0000)產(chǎn)生輸出時鐘(8900),這樣就可以 在必要時只產(chǎn)生一個內(nèi)部時鐘信號(8310)或(8320 )。時鐘選擇切換的過程是
1. 同時使信號(8030)和(8130)無效一段時間(例如幾個切換控制時鐘周期)，
2. 使被選擇的中速時鐘源(4000)的使能信號(8030)或(8130)有效。
圖IO為按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例設(shè)計的高速組合時鐘源(9000)的 電路結(jié)構(gòu)框圖。電路由三個參考時鐘源(0000)、 一個高速時鐘源(5000)、兩 個中速時鐘源(4000)和一個時鐘選擇器(9800)構(gòu)成。在控制信號(卯20)、 (9040 )、(卯50)、 (9120)、 (9140)、 (9150)、 ( 9220)、 ( 9240)、 ( 9250)、 (9260)、 (9320)、 (9340)、 (9420)和9440)的控制下產(chǎn)生頻率動態(tài)變化的輸 出時鐘(9900)，各個控制信號的功能可見圖l和圖5和圖6的說明。三個參考 時鐘源(0000)分別工作在低頻率(卯IO)、中頻率(9110)和高頻率(9210), 由時鐘選擇器(9800 )在信號(9540 )的控制下選擇由哪一個參考時鐘源(0000 ) 產(chǎn)生輸出時鐘(9900)，這樣就可以在必要時只產(chǎn)生一個內(nèi)部時鐘信號(9510) 或(9520 )或(9530 )。時鐘選擇切換的過程是1.同時使信號(9030 )、 (9130) 和(9230)無效一段時間(例如幾個切換控制時鐘周期)，2.使被選擇的中速時 鐘源(4000)或高速時鐘源(5000)的使能信號(卯30)或(9130)或(9230) 有效。
權(quán)利要求
1. 一種數(shù)字時鐘頻率變換器，包括a)至少三個D鎖存器，其中至少有兩個帶使能控制；b)一個異或門；c)一個輸入時鐘；d)一個輸出時鐘；e)輸入和輸出時鐘頻率的比值可以是1或2*N，N為1、2、3、...。
2. —種數(shù)字時鐘頻率變換裝置，包括a) 可操作的如權(quán)利要求1的方法實現(xiàn)的頻率變換器；b) 可纟喿作的可變周期的脈沖信號發(fā)生器。
3. —種頻率動態(tài)可變的數(shù)字時鐘源，包括a) 可操作的如權(quán)力要求2的方法實現(xiàn)的頻率變換裝置；b) —個參考時鐘源。
4. 一種數(shù)字時鐘頻率變換裝置，包括a) 可操作的如權(quán)利要求1的方法實現(xiàn)的頻率變換器；b) 可操作的可變周期的脈沖信號發(fā)生器；c) 可操:作的倍率可變的頻率倍增振蕩器。
5. —種頻率動態(tài)可變的數(shù)字時鐘源，包括a) 可操作的如權(quán)利要求4的方法實現(xiàn)的頻率變換裝置；b) —個參考時鐘源。
6. —種頻率動態(tài)可變的數(shù)字時鐘源，包括a) 數(shù)目多于1的可操作的如權(quán)利要求3或權(quán)力要求5的方法實現(xiàn)的 數(shù)字時鐘源；b) 可操作的多個如權(quán)利要求3或權(quán)力要求5的方法實現(xiàn)的數(shù)字時鐘 源的控制和多選l裝置；c) 可選擇的(沒有或1個或多個)按照權(quán)利要求2的方法實現(xiàn)的頻 率變換裝置。
7. —種動態(tài)的數(shù)字系統(tǒng)時鐘頻率控制方法，包括a)至少1個可操作的如權(quán)力要求3的方法或權(quán)力要求5的方法或權(quán)的方法或其它類似的方法實現(xiàn)的頻率動態(tài)可變的數(shù)字時鐘源的 實時控制程序。
8. —種動態(tài)的數(shù)字電路或計算機(jī)系統(tǒng)的性能和功耗控制方法，包括:a) 可操作的如權(quán)力要求7的時鐘頻率控制方法；b) 可操作的與單個任務(wù)或組任務(wù)或全部任務(wù)相關(guān)聯(lián)的實時的系統(tǒng) 時鐘頻率設(shè)置策略。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種動態(tài)改變同步數(shù)字電路系統(tǒng)的時鐘頻率的電路實現(xiàn)方法。采用本發(fā)明提供的方法，可以實時的使系統(tǒng)時鐘頻率在數(shù)千赫茲和數(shù)千兆赫茲之間任意變化，系統(tǒng)可以實時響應(yīng)和執(zhí)行各種任務(wù)請求的，在沒有任務(wù)請求時可以實時的進(jìn)入低功耗狀態(tài)，使系統(tǒng)最大限度的降低無效功耗，特別適合任務(wù)請求量變化范圍大而且又需要實時響應(yīng)和執(zhí)行任務(wù)請求的系統(tǒng)。
文檔編號G06F1/08GK101546206SQ200810084140
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者劉伯安 申請人:劉伯安