一种实现三维测量芯片低功耗的方法
【技术领域】
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[0001 ] 本发明涉及一种片上系统(S0C:System On Chip)，特别是涉及一种实现三维测量芯片低功耗的设计方法。
【背景技术】
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[0002]具有低功耗的片上系统不仅可以提高手持通信设备的续航能力，而且还可以降低散热系统的复杂性，降低整体设计的成本。因此，片上系统的低功耗研究一直是业内的重点课题。目前工程领域中公知的低功耗解决方案，主要采用算法优化(algorithmoptimizat1n)、时钟关断(clocking gating)、电源关断(power gating)、动态电压频率调整(Dynamic voltage and frequency scaling)等方法来满足低功耗的需求，但这些方法仅是可降低功耗的基本设想，还无法进入实际电路设计中具体应用。
[0003]中国专利申请200880106433公开了“用于降低片上系统的功耗的设备和方法”，该方法是采用电源管理模块(PMU:Power Management Unit)来完成对芯片从活动状态到睡眠状态的检测，停止产生要提供给中央处理器(CPU:Central Processing Unit)的时钟，并存储片上系统(SOC)所包含的中央处理器(CPU)和外围设备的寄存器信息；待电源管理模块(PMU)检测到芯片从睡眠状态到活动状态时，通过记录的寄存器信息进行恢复并使整个系统重新工作。该方案虽然可以通过休眠方法来节省芯片的功耗，但还存在以下明显不足:一是对模块工作状态的划分过于简单，仅有活动和睡眠两类状态，且没有涉及如何检测芯片的活动状态;二是如果该片上系统属于如通信网络芯片等需要长期工作的芯片，将导致电源管理模块(PMU)—直检测为活动状态，无法关闭中央处理器的时钟和电源。
[0004]美国专利申请US8924758B2公开了 “一种片上系统性能和电源优化的方法”(METHOD FOR SOC PERFORMANCE AND POWER OPTIMIZAT1N)提供了一种电源处理模块(PMU)同时对中央处理器(CPU)和图像处理器(GPU:Graphics Processing Unit)联合电源管理，由于中央处理器(CPU)和图像处理器(GPU)分属不同的处理核心和状态，适用于不同的处理负荷，即根据不同的处理负荷来选择不同的功耗。该方案虽然可以通过负荷不同来节省功耗，但还存在以下明显不足:由于采用了较为复杂的加速处理器(AcceleratedProcessing Unit:内部包含CPU和GPU)，使得电源处理模块PMU对该片上系统的处理会变得非常复杂，不仅增加了PMU本身的设计难度和功耗，而且对于芯片总体规模比APU小的专用集成电路(ASIC:Applicat1n Specific Integrated Circuit)的三维测量芯片来说，这种低功耗设计并无实用价值。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种实现三维测量芯片低功耗的设计方法，本发明基于在测量过程中主处理器需要对不同处理模块介入、修正和交互的频率，在不同的处理场景下对不同的数据处理单元进行分类，通过增加专用协处理器或小型控制单元对数据处理单元提供定制化的服务，通过降低主处理器的工作负载来降低主处理器的频率，从而能够在满足整体性能的要求下降低整体芯片的功耗。
[0006]根据本发明提出的一种实现三维测量芯片低功耗的方法，其特征在于，包括采用定制化的协处理器、选择在复杂场景取代主处理器对数据处理单元的处理或交互以及降低主处理器及相关模块的时钟频率的手段，从而实现三维测量芯片的低功耗，其基本步骤如下:
[0007]步骤I，确定三维测量处理芯片的系统结构:该系统结构包括主处理器、主存储器和数据处理单元，各部件之间采用标准系统总线进行连接，其中分配给主处理器的接口为主接口，其余的模块为从接口 ；
[0008]步骤2，根据场景需求对数据处理单元进行分类:将数据处理单元按照主处理器所要付出的交互或者计算负载等条件进行分类，分成高频率模块A，中等频率模块B和C以及低频率模块D;其中:
[0009]高频率模块A采用定制化协处理器或小型数据控制单元E进行一对一服务；
[0010]中等频率模块B和C采用半定制的协处理器或小型数据控制单元F进行多对一服务；
[0011 ]低频率模块D采用主处理器进行服务；
[0012]步骤3，在系统总线上增加协处理器:在系统总线上增加协处理器或小型数据控制单元E和F，既可接受主处理器配置的从接口，又具有配置高频率模块A、中等频率模块B和C的主接口；
[0013]步骤4，设计定制化协处理器或小型数据控制单元:设计定制化协处理器或小型数据控制单元E的电路结构，参照主处理器对高频率模块A处理时的入口方式和处理过程，分离出入口方式信号和数据，送给定制化协处理器或小型数据控制单元E，将这些数据在定制化协处理器或小型数据控制单元E进行计算后，产生类似主处理器对高频率模块A的处理时序，完成配置给高频率模块A的全过程；
[0014]步骤5，设计半定制化协处理器或小型数据控制单元:设计半定制化协处理器或小型数据控制单元F的电路结构，按照步骤3的要求，兼顾中等频率模块B和C的配置操作，产生半通用指令；
[0015]步骤6，优化软件代码，降低时钟频率:在软件代码中，关闭主处理器对高频率模块A以及中等频率模块B和C的处理程序，并根据主处理器工作负载的降低，相应的降低主处理器的时钟频率；
[0016]步骤7:对芯片进行验证，确认满足设计需求:通过电子技术设计自动化技术对芯片系统进行仿真验证，确保功能正确。
[0017]本发明的实现原理是:本发明提供了一种实现三维测量芯片低功耗的方法，该三维测量芯片的片上系统包括主处理器、随机存储器(RAM = Read-Access Memory)、只读存储器(ROM:Read-only Memory)、总线结构、若干协处理器和若干数据处理单元，由于三维测量芯片属于专用集成电路，数据处理单元通常还包括彩色图运算模块，深度图生成模块和数据打包模块等。本发明依据三维测量芯片性能的不同在设计之初划分为不同的时钟域来满足不同的性能需求，同样的，在没有引入协处理器的情况下，依据主处理器对不同的数据处理单元的处理频率和相应的负载进行分类，将数据处理单元分为高访问频率模块，中等访问频率模块和低访问频率三个等级;对于高访问频率数据处理单元，需要主处理器频繁访问和交互;而对于低访问频率数据处理单元，处理器访问和交互的频率很低，而中等访问频率数据单元的交互性介于两者之间；对于高访问频率数据模块，如果采用主处理器进行交互处理，大大增加了主处理器的负载，因此，主处理器为了获得更大的处理性能，必然会采取提高主频等措施，导致功耗上升;本发明采用一对一定制化的协处理模式，即独占的协处理器和该协处理器专门的指令定制服务来卸载主处理器的这部分工作;对于低访问频率的数据处理单元，可以由主处理器进行操作，而把相应的协处理器处于休眠状态或芯片中直接省去其硬件资源;对于中等访问频率的数据处理单元，如果存在突发操作或在某一段时间内频繁访问，可以让协处理器接管相关操作而让主处理器降频，而当处理工作量变小时，主处理器接管其工作而使协处理器休眠。本发明的协处理器可以和数据处理单元灵活匹配:对于特殊指令和高访问频率的数据处理单元，采用专门的协处理器进行匹配;而对于中等访问频率，可以一个协处理单元对应控制并处理多个数据处理单元，该协处理器依据不同的时间片内依次服务不同数据单元。
[0018]本发明与现有技术相比其显著优点在于:
[0019]第一，协处理器或小型控制单元给数据处理单元提供定制化的控制和处理服务，根据该方案实施的三维测量芯片，协处理器可以是非常小型的控制单元，所需的逻辑资源非常少，这样可以以非常小的代价实现强大的功能，并根据一些信号触发来配置，专门计算或将计算之后的值配置或与数据处理单元交互。
[0020]第二，在多时钟域的场景下，为了同时满足高性能和低功耗，数据处理模块的高速处理部分运行在较高的时钟域，而在与协处理器交互的部分处于较低的时钟域，这样，协处理器可以同样的处于较低的时钟域。
[0021]第三，对于性能要求较弱的处理场景，如低分辨率、低帧率或静态图像场景下，数据处理单元可以运行在