地址总线低功耗编码的设计与实现

 对降低地址总线功耗的编码方法研究与应用正在逐渐增多。本文在简述地址总线上的功耗来源的基础上，介绍了几种典型的地址总线低功耗编码方法，通过结合实际采用的T0编码，能有效地降低智能卡芯片的功耗。
   
    CMOS电路中的功耗来源于两部分：一部分为静态功耗，由漏电和其它静态电流产生；另一部分为动态功耗，由短路电流和负载电容充放电产生。这两部分中共有三种最主要的消耗：跳变损耗(switching loss)、短路损耗(short-circuit loss)、漏电损耗(leakage loss)。短路损耗这部分功耗占总功耗的10-15%，而跳变损耗引起的功耗则占到总功耗的70%～80%。N位地址总线的跳变功耗表达式为：

    其中，N表示地址总线宽度，Cload表示平均每位地址线的负载，VDD为电源电压，α表示一个周期内平均电容充放电的次数，f是操作频率，α×f表示翻转率。
   
    智能卡芯片内部的地址总线，要将RAM、ROM等模块相连接，负载比较重，而且地址总线一般走线也比较长，这无疑都将增大地址总线的负载电容。同时，CPU对存储器访问频繁，也增大了地址总线的翻转频率。因此，地址总线上消耗的功耗比较大。 
    
    低功耗地址编码方法 
    
    对地址总线进行低功耗设计主要是对其进行低功耗编码，方法有BI(Bus－Invert)和T0(Zero-Transition)、格雷码、WZE编码等。它对CPU送出的t时刻与t-1时刻N位地址总线进行比较，总线上变化的位数如果大于N/2，则将总线取反外送，否则就直接外送。地址接收端收到地址后是否取反根据INV信号线来确定。例如，地址总线为4位，t-1时刻为0000，t时刻为1111，那么将1111取反后送出去。
   
    BI编码公式如下所示:

    式中的b(t)是指t时刻的实际地址，B(t)是编码后的地址，H(t)是b(t)和b(t.1)相异的位数。
   
    BI解码公式如下所示：

    其中，J(t)为解码后的地址总线。
   
    T0码通过增加一条冗余连线INC来通知地址的接收端总线上的地址是否连续。如果INC为高，表明总线上的地址是连续的，此时所有的地址总线保持不变，地址接收端自动将上一地址加1，作为当前的地址；如果INC为低，表明前后两次地址并非连续，此时总线将正常地传送地址码。 

  定义b(t)为CPU计算出来的t时刻总线数据(即编码前的数据)，B(t)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。则T0编码的编码公式为：

    与T0编码相对应的解码公式为：

    将BI和T0两种方法结合起来，就形成了BI-T0方法。一般而言，地址都是比较连续的，而数据总线则是比较随机的。BI编码主要用于数据总线，用于地址总线的时候，一般都带有缓存。T0编码具有低延迟和小面积的特性，地址连续的时候，能够很好地降低地址翻转次数。在地址连续的时候，使用T0编码；在地址不连续的时候，使用BI方法，这就形成了BI-T0编码。
   
    格雷编码对于连续变化为主的地址总线也是比较有效的。例如，从7变为0，用二进制编码是由111变为000，要引起跳变3次，而用格雷码则是由100变为000，只变化一次。对连续数据变换，用格雷码更简单有效。
   
    WZE(Working-Zone-Encoding)编码假设每个瞬间程序只访问总地址空间的某个工作区(Working-Zone)。地址总线上传递工作区的标志和基于工作区基址的地址偏移，该偏移量采用独热编码。WZE主要用于外部地址总线，在它基础上形成了PBE编码和扩展WZE编码。
   
    T0编码的实现与应用
   
    采用T0地址总线编码的示意图如图1所示，编解码器的结构如图2所示。b为CPU内核送出来的地址，B为经过编码器输出的地址，J为解码器送往存储器的地址，INC用来表示地址是否是连续的。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。

图1：地址总线编码示意图。

 
图2：零翻转编解码器电路结构图。

    我们选用一个测试激励，实际运行的波形图如图3所示。

图3：地址零翻转波形图。

    从图中可以看到当CPU送出的地址总线是连续的时候，编码器和解码器之间的地址总线可以不翻转，存储器通过INC信号得到正确的地址。在FPGA仿真的时候，可以将上述激励的VCD文件输入XPOWER来分析功耗。使用T0编码，总功耗为0.467mW，不用T0编码，总功耗为0.999mW。 
    
  本文小结 
    
    结合一款8位智能卡芯片的实际情况，对地址总线采用简单有效的T0编码，有效地降低地址总线的翻转次数，从而有助于降低整个智能卡芯片的功耗。