對降低地址總線功耗的編碼方法研究與應(yīng)用正在逐漸增多。本文在簡述地址總線上的功耗來源的基礎(chǔ)上，介紹了幾種典型的地址總線低功耗編碼方法，通過結(jié)合實際采用的T0編碼，能有效地降低智能卡芯片的功耗。
CMOS電路中的功耗來源于兩部分：一部分為靜態(tài)功耗，由漏電和其它靜態(tài)電流產(chǎn)生；另一部分為動態(tài)功耗，由短路電流和負(fù)載電容充放電產(chǎn)生。這兩部分中共有三種主要的消耗：跳變損耗(switching loss)、短路損耗(short-circuit loss)、漏電損耗(leakage loss)。短路損耗這部分功耗占總功耗的10-15%，而跳變損耗引起的功耗則占到總功耗的70%～80%。N位地址總線的跳變功耗表達(dá)式為：

：地址總線編碼示意圖。
其中，N表示地址總線寬度，Cload表示平均每位地址線的負(fù)載，VDD為電源電壓，α表示一個周期內(nèi)平均電容充放電的次數(shù)，f是操作頻率，α×f表示翻轉(zhuǎn)率。
智能卡芯片內(nèi)部的地址總線，要將RAM、ROM等模塊相連接，負(fù)載比較重，而且地址總線一般走線也比較長，這無疑都將增大地址總線的負(fù)載電容。同時，CPU對存儲器訪問頻繁，也增大了地址總線的翻轉(zhuǎn)頻率。因此，地址總線上消耗的功耗比較大。
低功耗地址編碼方法
對地址總線進(jìn)行低功耗設(shè)計主要是對其進(jìn)行低功耗編碼，方法有BI(Bus－Invert)和T0(Zero-Transition)、格雷碼、WZE編碼等。它對CPU送出的t時刻與t-1時刻N位地址總線進(jìn)行比較，總線上變化的位數(shù)如果大于N/2，則將總線取反外送，否則就直接外送。地址接收端收到地址后是否取反根據(jù)INV信號線來確定。例如，地址總線為4位，t-1時刻為0000，t時刻為1111，那么將1111取反后送出去。
BI編碼公式如下所示:
式中的b(t)是指t時刻的實際地址，B(t)是編碼后的地址，H(t)是b(t)和b(t.1)相異的位數(shù)。

：零翻轉(zhuǎn)編解碼器電路結(jié)構(gòu)圖。
BI解碼公式如下所示：
其中，J(t)為解碼后的地址總線。
T0碼通過增加一條冗余連線INC來通知地址的接收端總線上的地址是否連續(xù)。如果INC為高，表明總線上的地址是連續(xù)的，此時所有的地址總線保持不變，地址接收端自動將上一地址加1，作為當(dāng)前的地址；如果INC為低，表明前后兩次地址并非連續(xù)，此時總線將正常地傳送地址碼。
定義b(t)為CPU計算出來的t時刻總線數(shù)據(jù)(即編碼前的數(shù)據(jù))，B(t)是t時刻已放到總線上的數(shù)據(jù)(即編碼后的數(shù)據(jù))，Jt是解碼器解碼后的數(shù)據(jù)。則T0編碼的編碼公式為：
與T0編碼相對應(yīng)的解碼公式為：

將BI和T0兩種方法結(jié)合起來，就形成了BI-T0方法。一般而言，地址都是比較連續(xù)的，而數(shù)據(jù)總線則是比較隨機(jī)的。BI編碼主要用于數(shù)據(jù)總線，用于地址總線的時候，一般都帶有緩存。T0編碼具有低延遲和小面積的特性，地址連續(xù)的時候，能夠很好地降低地址翻轉(zhuǎn)次數(shù)。在地址連續(xù)的時候，使用T0編碼；在地址不連續(xù)的時候，使用BI方法，這就形成了BI-T0編碼。
格雷編碼對于連續(xù)變化為主的地址總線也是比較有效的。例如，從7變?yōu)?，用二進(jìn)制編碼是由111變?yōu)?00，要引起跳變3次，而用格雷碼則是由100變?yōu)?00，只變化。對連續(xù)數(shù)據(jù)變換，用格雷碼更簡單有效。

：地址零翻轉(zhuǎn)波形圖。
WZE(Working-Zone-Encoding)編碼假設(shè)每個瞬間程序只訪問總地址空間的某個工作區(qū)(Working-Zone)。地址總線上傳遞工作區(qū)的標(biāo)志和基于工作區(qū)基址的地址偏移，該偏移量采用獨熱編碼。WZE主要用于外部地址總線，在它基礎(chǔ)上形成了PBE編碼和擴(kuò)展WZE編碼。
T0編碼的實現(xiàn)與應(yīng)用
采用T0地址總線編碼的示意圖如所示，編解碼器的結(jié)構(gòu)如所示。b為CPU內(nèi)核送出來的地址，B為經(jīng)過編碼器輸出的地址，J為解碼器送往存儲器的地址，INC用來表示地址是否是連續(xù)的。編碼器和解碼器的電路規(guī)模很小，帶來的額外硬件面積和功耗也很小。
我們選用一個測試激勵，實際運行的波形圖如所示。
從圖中可以看到當(dāng)CPU送出的地址總線是連續(xù)的時候，編碼器和解碼器之間的地址總線可以不翻轉(zhuǎn)，存儲器通過INC信號得到正確的地址。在FPGA仿真的時候，可以將上述激勵的VCD文件輸入XPOWER來分析功耗。使用T0編碼，總功耗為0.467mW，不用T0編碼，總功耗為0.999mW。
本文小結(jié)
結(jié)合一款8位智能卡芯片的實際情況，對地址總線采用簡單有效的T0編碼，有效地降低地址總線的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，從而有助于降低整個智能卡芯片的功耗。
作者：趙貴勇、傅強(qiáng)、周江瑜
Email：zhoujy@hed.com.cn
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