電源關(guān)斷模塊中的retention register低功耗設(shè)計

在電源關(guān)斷模塊有可能要求register對關(guān)斷前的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存或者在電源打開后要求對鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，這就需要特殊的單元Retention Register。

retention reg有兩組寄存器，Main Register和shadow寄存器，其中shadow寄存器使用的是always on的電源；

它有兩個電源，一個用于模塊電源未關(guān)斷時的工作用電，一個用于模塊電源關(guān)斷時的用電。它還有兩個控制信號save和restore，用于控制是否鎖存數(shù)據(jù)或者恢復(fù)數(shù)據(jù)；

如上圖所示，這個寄存器需要有兩個電源，一個是常開的VDD_BACKUP，給shadow寄存器用，另一個是可以關(guān)斷的VDD，給Main Register用。

在需要保留狀態(tài)時，使能SAVE信號，Main Register的值就被保留到shadow寄存器中，然后即使VDD關(guān)閉了，shadow寄存器的值也會保留。當(dāng)模塊/IP再次上電，通過使能RESTORE信號，就可以把shadow寄存器的值寫回Main Register中;

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對于可以關(guān)斷的Power Domain，如下圖Block1內(nèi)的PD1，在關(guān)斷電源之后，內(nèi)部數(shù)據(jù)全部丟失，如果想在斷電后仍然保存這些數(shù)據(jù)有幾種方式：

在斷電前，將內(nèi)部數(shù)據(jù)存到Block外部的RAM中，等上電之后再將數(shù)據(jù)讀回；

在電源可以關(guān)斷的Power Domain中使用Retention Register。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖，該寄存器可以在電源關(guān)斷前通過SAVE信號將數(shù)據(jù)從Main Register保存到內(nèi)部的Shadow Register中。在上電后，再通過RESTORE信號將數(shù)據(jù)從Shadow Register恢復(fù)到Main Register中。

與前面的各種低功耗Cell一樣，Retention Register內(nèi)部的Shadow Register也是Always On Cell，必須有Always On的供電源。Shadow Register連接到always-on電源上以保證其能夠正常工作。由于是Always On的，所以為了實現(xiàn)低功耗的目標(biāo)，內(nèi)部的器件多用高閾值的MOS管來實現(xiàn)以降低Power Down模式下的Leakage Power。

Retention Register內(nèi)除了Shadow Register之外，其余的器件均使用可以關(guān)斷的電源，為了高性能以及快速恢復(fù)數(shù)據(jù)，Main Register可能還會使用低閾值的管子。

Retention Register與常規(guī)的寄存器相比，面積更大，一般要比普通寄存器面積大約20％，如果設(shè)計的魯棒性好一些，甚至?xí)蟪^50％。?但是與其他方案相比，上電后數(shù)據(jù)恢復(fù)的速度非?？?，且操作也簡單。因此，使用retention register需要特別注意它帶來的額外的面積和功耗。當(dāng)需要斷電保存的數(shù)據(jù)過多時，retention cell帶來的功耗可能會使整體的low power效果打折扣。

QA1

在低功耗設(shè)計中retention register，這個寄存器其實包含兩個寄存器，一個叫shadow register的寄存器用always on電源，用于寄存器值的恢復(fù)，那么為什么不直接一個普通的寄存器用always on電源呢？這樣不是可以省下一個寄存器嗎？

理論上說可以用普通的register來做，但是實際中需要考慮ISO，僅僅clock，data，reset就需要3個isolation cell。功耗比較高，另外對timing也有影響。

而retention register內(nèi)部就考慮了這些，只要保證進(jìn)ret的信號是always on就可以，而且進(jìn)出ret的速度都非常慢，所以對timing 不會有影響。

QA2

retention registers指的是什么寄存器？它與一般的寄存器有什么不同，主要的功能是什么？

retention reg有兩組寄存器，其中一個是shadow寄存器使用的是always on的電源。當(dāng)power down之前，把主reg的值load到shadow reg，當(dāng)power up之后，從shadow reg把值load到主reg。因為shadow寄存器只是用來存儲數(shù)據(jù)，所以可以做得比較小，功耗比較低。

使用retention registers會增加額外的leakage，需要配合系統(tǒng)的省電方案使用，同時也會增加額外的面積;

QA3

retention registers看起來多了一個shadow寄存器，似乎費(fèi)電更多才是，那怎么做到省電的呢？

關(guān)鍵就在于，retention registers中的shadow寄存器只消耗很少的電來保存信息，從而使得主寄存器可以完全掉電，從而省電；

QA4

retention registers中主從寄存器兩者的區(qū)別？

主寄存器面積大，工作電壓高，采用的晶體管閾值電壓也低，工作電流大，這樣可以保證該寄存器在正常工作時速度快，負(fù)載能力強(qiáng)。

從shadow寄存器，面積相對小一些，采用閾值電壓高的晶體管，其驅(qū)動電壓也會更低。因此，消耗的電量很少。

Liberty retention register,僅供參考

retention registers的lib描述指定了控制數(shù)據(jù)保存和恢復(fù)的電源引腳和輸入信號。

指定了哪些電源引腳是正常的并且可以掉電，哪些是用于在掉電期間保持?jǐn)?shù)據(jù)的常開引腳。

cell(RETENTION_DFF)?{?
retention_cell:"ret_dff";?
area?:?1.0;?
...?
pg_pin(VDDB)?{?
voltage_name?:?VDDB;?
pg_type?:?backup_power;?
}?
...?
pin(RETN)?{?
direction?:?input;?
capacitance?:?1.0;?
nextstate_type?:?data?;?
related_power_pin?:VDDB;?
related_ground_pin:VSSG;?
retention_pin?(save_restore,?"1"?);?
}?
pin(Q)?{?
power_down_function:"!VDD+VSS";?
related_power_pin?:?VDD?;?
related_ground_pin?:?VSS;?
direction?:?output;?
...

編輯：黃飛

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