专利名称：用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法
技术领域：
本发明涉及用于降低以太网无源光网络电路系统功耗的方法，主要是通过编码/解码以及对编码/解码方式优化的方法，降低物理层集成电路I/o单元的功耗，从而有效地降低系统的峰值功耗。
背景技术：
目前主要有三种技术方法降低集成电路系统的功耗
I.现有技术一的技术方案
通过改进集成电路的制造工艺，降低物理层集成电路的功耗，从而降低系统的功耗。通常通过减小CMOS深亚微米集成电路的特征尺寸的途径来实现。采用更小特征尺寸，意味着晶体管可以采用更短的栅长，从而降低晶体管的工作电压，提高晶体管的速度，节约晶体管占用的面积。在系统层面上，则反映为系统集成度不断提高，在实现相同处理效率的情况下功耗可以进一步降低，或者在保证功耗不变的情况下提升处理效率[1][2]。现有技术一的缺点
O与整个半导体行业的技术革新速度有关。在尚未出现新一代制造工艺的情况下，难以进一步改善功耗。2)对于设计开发者来说，只能接触前端设计，无法参与后端的制造工艺的开发，灵
活性差。3)采用新的工艺会带来产品成本的变化。通常，引进新的工艺在短期内会造成成本的显著增加；只有等待较长时间，随着工艺的逐步成熟和产量增大，才有望降低产品的单位成本。2.现有技术二的技术方案
根据业务量的大小，动态调节集成电路的工作电压和时钟频率，节约电路系统的功耗。现有技术方案二在电路系统中加入能够自动调节动态频率和电压的功能。特定的监视电路用于监视业务量；当业务负载较低时降低一部分电路的工作频率和工作电压；当业务量达到较高负荷时，使用标准的电源电压及工作频率。从而节约整个系统的功率消耗
O
现有技术二的缺点
1)该方案可以节约电路系统在空闲时的功率消耗，但无法减小满负荷运转时的功耗， 即不能减小系统峰值功耗；
2)由于技术二的方案只能降低闲时功耗，并不能减小系统峰值功耗；而设备的电源系统及散热系统都必须按照最大负荷情况来设计，因此技术二无助于降低电源系统及散热系统的设计难度和制造成本。3.现有技术三的技术方案
在设备中加入特定的监视电路，用于监视设备端口是否存在物理连接，以及是否存在接收/发送业务。如果一部分端口没有物理连接，或链路上不存在业务，则休眠这一部分电路模块；当物理连接恢复时，唤醒这些电路。使用从而节约设备的功率消耗[1-2][7_8]。现有技术三的缺点
I)同技术二缺点1，该方案可以节约电路系统在空闲时的功率消耗，但无法减小设备满负荷运转时的功耗，即不能减小系统峰值功耗。2)同技术二缺点2，不能降低电源系统和散热系统的设计难度和制造成本。3)休眠/唤醒的状态转换过程需要时间，可能造成一定延迟。4)为了在保证不丢失分组的前提下实现及时的休眠/唤醒，需要建立某种会话机制，因此可能需要对上层通讯协议作修改。操作难度大，可能存在硬件设备之间的兼容性问题。[I]钟涛，王豪才.CMOS集成电路的功耗优化和低功耗设计技术[J].微电子学，2000，30(2) : 106-112.魏春娟；吕剑.集成电路功耗优化技术综述[J].上海电力学院学报，2011， 27(2) : 187-192.Shin D, Kim J, Lee S. Intra-Task Voltage Scheduling for Low-Energy Hard Real-Time Applications . IEEE Design and Test of Computers, 2001, 18(2) :20-30.Benini L, Paleologo G, Bogliolo A, et al. Policy optimization for dynamic power management . IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 1999, 18 (6) :813-833CHUNG E,BENINI L,B0GLI0L0 A,et al. Dynamic powermanagement for nonstationary service requests[J] . IEEETrans. on Computers, 2002, 51(11):1345-1360 .江琦，奚宏生，殷保群.动态电源管理的随机切换模型与策略优化[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006, 18(05) : 680-686唐广飞.高性能路由器节能技术研究(硕士学位论文).国防科学技术大学，
2006.吴琦.嵌入式操作系统功耗管理技术研究(博士学位论文).电子科技大学， 2006.。
发明内容
技术问题现代千兆、万兆及更高速率的以太网设备物理层电路系统功耗的不断增加，是进一步提升业务吞吐量的阻碍因素之一。同时，设法降低其功耗、尤其是峰值功耗， 也符合环保节能减排的理念。本发明主要解决的技术问题是，寻找一种有效方法，能够有效降低万兆及更高速率的以太网设备物理层集成电路系统的峰值功耗，提出若干种用于降低物理层集成电路系统功耗的算法。技术方案本发明是一种用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法，该方法用于降低以太网无源光网络设备电路系统峰值功率消耗，实现于设备的物理层集成电路中，通过实现以下编码-解码，降低集成电路I/o单元的功耗，从而降低整个系统的峰值功耗，具体的编码-解码方法为编码-解码的方法I :在并行数据信号通过集成电路I/O单元输出之前，对该数据进行编码，首先读入待编码数据，然后与上一个时钟周期已编码数据比较对应二进制位发生变化的个数，若发生变化的位数超过一半，则将待编码数据按位取反，并置标志位为1，若发生变化的位数未超过一半，则直接输出待编码数据，并置标志位为O ;解码时，读入待解码的并行数据；根据标志位的值解码，若标志位是1，则按位取反解码，否则输出原值；
编码-解码的方法2 :在并行数据信号通过集成电路I/O单元输出之前对该数据进行编码，首先将一组并行二进制数据划分多段，对各段分别进行编码，各段的编码方式与方法 I编码方式相同，最后合并各子段编码数据；解码时，也将数据划分多段，各段解码方式与方法I解码方式相同，最后合并各子段解码数据；
编码-解码的方法3:首先设置一个计数器的数值为n，然后读入待编码的并行数据，设位宽为m，并按方法I中的编码方式进行编码，如果读入数据未满η个，则继续读入数据并编码；如果读入了 η个数据，则将η个标志位排列成一个m位宽的数据，其中不寄存标志位的 m-n个二进制位用作校验，将该数据作为一个关键帧，已编码数据及标志位组成的关键帧作为一组，最后输出这组数据，并将计数器置零；解码时，接收数据后，首先分析分组关键帧， 并寄存所有标志位，对于分组中的已编码数据，按方式I中的解码方式解码，最后输出解码数据。其中，编码-解码的方法I的具体步骤为
编码方法的流程为
步骤310 :首先读入当前时钟周期待编码数据；
步骤320 :将读入的数据按位取反；
步骤330 :—方面，将原读入的数据直接存储寄存器A中；
步骤331 :另一方面，将按位取反后的数据存储进寄存器B中；
步骤340 :将上一个周期已编码的数据放入寄存器C中；
步骤350 :将寄存器A中的原始数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做按位异或运算；
步骤351 :将寄存器B中的按位取反后的数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做按位异或运算；
步骤360 :将步骤350所得数据按位相加求和，得值a ；
步骤361 :将步骤351所得数据按位相加求和，得值b ；
步骤370 :对于a和b的大小关系作一次判断；
步骤380 :如果a不大于b，则寄存器A的值为最终编码结果，置标志位为O ;
步骤381 :如果a大于b，则寄存器B的值为最终编码结果，置标志位为I ;
步骤390 :输出最终编码结果；
经过上述判断及编码过程，传输并行数据时，在先后两个时钟周期之间，集成电路的I/ O单元所输出的二进制逻辑电平信号发生变化的次数可得到有效降低；
解码方法的流程为
步骤410 :首先读入当前时钟周期待解码数据；
步骤420 :对标志位作一次判断；
步骤430 :如果标志位为1，则将待解码数据按位取反后的数据为最终解码数据；步骤431 :如果标志位不为1，则保持原值，即原待解码数据为最终解码数据；
步骤440:输出最终解码数据。
编码-解码的方法2的具体步骤为
编码方法的流程为
步骤510 :首先读入当前时钟周期待编码数据；
步骤520 :将数据拆分为多个子段；
步骤530 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中编码方式进行编码；
步骤540 :合并经过编码处理的各个子段；
步骤550 :输出编码数据和标志位；
解码方法的流程为
步骤610 :首先读入当前时钟周期待解码数据；
步骤620 :将数据拆分为多个子段；
步骤630 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中解码方式进行解码；
步骤640 :合并经过解码处理的各个子段；
步骤650 :输出解码数据。
编码-解码的方法3的具体步骤为
编码方法的流程为
步骤700 :设置一个计数器并检查计数器N的数值；
步骤710 :判断计数器N的值是否为N-I ；
步骤720 :如果N不为N-1，则读入待编码的数据；
步骤730 :将待编码的数据按编码-解码的方法I中编码方法编码；
步骤740 :将编码所得的标志位存于寄存器组D中；
步骤750 :计数器N的值递增I ;
步骤760 :如果N的值为N-I，则读入寄存器组D中数据；
步骤770 :计算校验位；
步骤780 :将标志位、校验位进行组合，起到关键帧的作用；
步骤790:输出整个编码数据；
步骤7110 :计数器N的值归零；
在解码时，首先读入解码数据，分析标志位组成的关键帧；从关键帧中提取出标志位， 再根据标志位的值按编码-解码的方法I中的解码方式解码即可。有益效果
I)采用本发明“实施方式一”所述方法及装置后，设备物理层集成电路的I/o 口发生翻转的次数可得到有效降低。仿真结果显示，即使标志位的翻转会增加一些的额外的I/o 翻转开销，但是，整体的I/o翻转数总和仍然有明显降低，降低幅度在30% 20%之间。由于 I/O单元消耗功耗与翻转数直接成正比关系，应用该方法后，若I/O单元翻转数降低了 30%， 则I/O单元消耗功耗亦可降低30%。此外新增的编解码电路可能会增加一些额外功耗，但是这个新增的功耗占整个芯片功耗的比例很低。因此，假设I/O单元消耗的功耗占整个芯片功耗的50%，则整个芯片的功耗可以降低15%。可以取得可观的降低峰值功耗的效果。2)采用本发明“实施方式二”所述方法及装置后，对于位宽较宽的并行1/0，可以针对其传输的二进制数据的具体类型分段编码，从而进一步提升功耗优化的效率。3)采用本发明“实施方式三”所述方法及装置，不需要占用额外的集成电路I/O 口，没有增加额外的片外电气连接，PCB设计、集成电路之间的电气连接等不会发生变化， 实现相对简单。4)采用本发明“实施方式一、二、三”所述方法及装置，能有效减少峰值功耗，降低电源系统和散热系统的设计难度和制造成本。5)采用本发明“实施方式一、二、三”所述方法及装置，仅改动设备内部的物理层电路及系统的设计，不需要对现有的国际标准、通讯协议等作改动，不影响设备的兼容性。6)采用本发明“实施方式一、二、三”所述装方法及装置，对上层协议透明，不需要与上层通讯协议进行协调。7)采用本发明“实施方式一、二、三”所述方法及装置，不需要对设备的控制软件进行重新编制。
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。图I未改进的以太网设备物理层电路系统内部集成电路间关系示意图，
图2应用本发明改进后的以太网设备物理层电路系统内部集成电路间关系示意图，
图3实施方式一编码方法流程图，
图4实施方式一解码方法流程图，
图5实施方式二编码方法流程图，
图6实施方式二解码方法流程图，
图7实施方式三编码方法流程图。
具体实施例方式I.本发明的具体实施方式
一
图I中，“集成电路101”是指应用于以太网设备物理层电路系统中的、具有一定功能单元性质的、封装为某种电路元件形式的集成电路，具体实例如处理器芯片、存储器芯片等。 其实现方式可以为现场可编程门阵列或全定制的专用集成电路等。图I中，“片外电气连接102”，是指集成电路与集成电路之间的电路连接，一般表现为印刷电路板上金属连线的形式。图I中，由I-N标号的“输入输出接口 103”，是指集成电路中用于传输并行数据的一组I/O端口。一般用于传输高/低电平的数字逻辑信号。内部功能电路需要输入(或输出)的并行数字逻辑信号，将通过这些I/o端口，由集成电路片外的电气连接输入(或输出到集成电路片外的电气连接线路上)。如果需要并行输入/输出集成电路的数据一共有N位， 则相应需要占用N个端口。N的值一般为2的整数幂，如8、16、32、64等。本发明所改进的物理层集成电路间关系如图2所示。图2中“集成电路201”、“片外电气连接202”的含义分别与图I中“集成电路101”、“片外电气连接102”相同。如图2所示，内部功能电路需要输出/输入的并行数字逻辑信号，通过编码解码电路205进行编/解码后，再输出/输入。应用编解码方法后，可以节约集成电路I/O模块的功耗，从而降低该集成电路的功耗，进而降低系统的整机峰值功耗。下面对编码与解码的具体方法及工作流程进行说明。编码方法的流程图如图3所示。步骤310 :首先读入当前时钟周期待编码数据；
步骤320 :将读入的数据按位取反；
:一方面，将原读入的数据直接存储寄存器A中；
:另一方面，将按位取反后的数据存储进寄存器B中；
:将上一个周期已编码的数据放入寄存器C中；
:将寄存器A中的原始数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做按位异或
步骤330 步骤331 步骤340 步骤350 运算；
步骤351 ； 按位异或运算步骤360 步骤361 步骤370 步骤380 步骤381 步骤390
将寄存器B中的按位取反后的数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做
:将步骤350所得数据按位相加求和，得值a ；
:将步骤351所得数据按位相加求和，得值b ；
:对于a和b的大小关系作一次判断；
:如果a不大于b，则寄存器A的值为最终编码结果，置标志位为O ;
:如果a大于b，则寄存器B的值为最终编码结果，置标志位为I ;
:输出最终编码结果。经过上述判断及编码过程，传输并行数据时，在先后两个时钟周期之间，集成电路的I/O单元所输出的二进制逻辑电平信号发生变化的次数可得到有效降低。解码方法的流程图如图4所示。步骤410 :首先读入当前时钟周期待解码数据；
步骤420 :对标志位作一次判断；
步骤430 :如果标志位为1，则将待解码数据按位取反后的数据为最终解码数据；
步骤431 :如果标志位不为1，则保持原值，即原待解码数据为最终解码数据；
步骤440:输出最终解码数据。现举例说明实施方式一，如读入数据为8位的11001010，则寄存器A中存入 11001010，寄存器B中存入00110101，假设寄存器C中上一周期的编码数据为11111000，寄存器A与C中数据按位异或为00110010，按位相加得a=3，寄存器B与C中数据按位异或为 11001101，按位相加得b=5，a小于b，所以最终编码输出为11001010，标志位为O。解码时， 读入标志位为0，所以可得解码输出就是11001010。此时，编码后的数据就是原值，与上一个周期的编码数据相比，有3位需要翻转。假设再读入的数据为00110100，则寄存器A中存入00110100，寄存器B中存入 11001011，寄存器C中为上一周期编码数据11001010，寄存器A与C中数据按位异或得 11111110，按位相加得a=7，寄存器B与C中数据按位异或得00000001，按位相加得b=l，a 大于b，所以最终编码输出为11001011，标志位为I。解码时，读入标志位为1，所以将数据11001011按位取反，解码后数据为00110100。编码数据与上一周期的编码数据相比有I位翻转，如果原值不经编码直接输出的话，有7位翻转，所以减少了 I/O端口的功耗，从而减低了集成电路的系统功耗。2.本发明的具体实施方式
二
本实施方式二主要是对编解码装置的详细工作流程及所采用的编解码方法等进行调整和改进。由于在某些情况下，若采用实施方式一的编码方案，减少I/O单元翻转的效果可能会随着并行I/o位宽的增加而降低。尤其是在传输某些特定数据类型时(如传输前后两个周期只有一部分尾数有少量变化的浮点数据时)。因此，本实施方式二提出改进方法，将待编码数据拆分为多段。根据传输的二进制并行数据类型的不同，可对多段分别编码，或仅对其中部分子段进行编码。编码方法的流程图如图5所示。步骤510 :首先读入当前时钟周期待编码数据；
步骤520 :将数据拆分为多个子段；
步骤530 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中编码方式进行编码；
步骤540 :合并经过编码处理的各个子段；
步骤550 :输出编码数据和标志位。解码方法的流程图如图6所示。步骤610 :首先读入当前时钟周期待解码数据；
步骤620 :将数据拆分为多个子段；
步骤630 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中解码方式进行解码；
步骤640 :合并经过解码处理的各个子段；
步骤650 :输出解码数据。本方法能带来的有益效果主要是，对于位宽较宽的并行1/0，可以针对其传输的二进制数据的具体类型，进一步提升功耗优化效率。例如，要对一个64位数据进行编解码，可以按实施方式二分为8个子段，每个子段 8位，再对8个子段分别编解码，每个子段的编解码方法与具体实施方式
一的方法相同。3.本发明的具体实施方式
三
实施方式三与实施方式一的区别在于，由于对编解码装置的工作流程及所采用的编解码方法等进行了调整和改进，编码过程不会产生需要额外I/o 口传输的标志位，从而节约了 I/o端口数量。由于实施方式三没有增加额外的集成电路I/O 口，没有增加额外的片外电气连接，因此应用于以太网设备物理层电路系统时，已有的印刷电路板、集成电路直接的电气连接等不需要作修改。编码方法流程如图7所不。现以一个8位宽的I/O总线为例说明
步骤700 :设置一个计数器并检查计数器N的数值；
步骤710 :判断计数器N的值是否为7 ；
步骤720 :如果N不为7，则读入待编码的数据；步骤730 :将待编码的数据按编码-解码的方法I中编码方法编码；
步骤740 :将编码所得的标志位存于寄存器组D中；
步骤750 :计数器N的值递增I ;
步骤760 :如果N的值为7，则读入寄存器组D中数据；
步骤770 :计算校验位；
步骤780 :将标志位、校验位进行组合，起到关键帧的作用；
步骤790:输出整个编码数据；
步骤7110 :计数器N的值归零。对于16位宽的I/O总线，同理可用15个周期用于读入待编码数据，编码输出；第 16周期将前15周期的标志位组合输出。更高位宽的32、64、128位总线的编码方法与之类似。在解码时，首先分析标志位组成的关键帧；根据关键帧的值，提取出标志位，再根据标志位的值使用方式一中解码方法解码即可。
权利要求
1.一种用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法，其特征在于，该方法用于降低以太网无源光网络设备电路系统峰值功率消耗，实现于设备的物理层集成电路中，通过实现以下编码-解码，降低集成电路I/o单元的功耗，从而降低整个系统的峰值功耗，具体的编码-解码方法为编码-解码的方法I:在并行数据信号通过集成电路I/o单元输出之前，对该数据进行编码，首先读入待编码数据，然后与上一个时钟周期已编码数据比较对应二进制位发生变化的个数，若发生变化的位数超过一半，则将待编码数据按位取反，并置标志位为1，若发生变化的位数未超过一半，则直接输出待编码数据，并置标志位为O ;解码时，读入待解码的并行数据；根据标志位的值解码，若标志位是1，则按位取反解码，否则输出原值；编码-解码的方法2 :在并行数据信号通过集成电路I/O单元输出之前对该数据进行编码，首先将一组并行二进制数据划分多段，对各段分别进行编码，各段的编码方式与方法 I编码方式相同，最后合并各子段编码数据；解码时，也将数据划分多段，各段解码方式与方法I解码方式相同，最后合并各子段解码数据；编码-解码的方法3 :首先设置一个计数器的数值为n，然后读入待编码的并行数据，设位宽为m，并按方法I中的编码方式进行编码，如果读入数据未满η个，则继续读入数据并编码；如果读入了 η个数据，则将η个标志位排列成一个m位宽的数据，其中不寄存标志位的 m-n个二进制位用作校验，将该数据作为一个关键帧，已编码数据及标志位组成的关键帧作为一组，最后输出这组数据，并将计数器置零；解码时，接收数据后，首先分析分组关键帧， 并寄存所有标志位，对于分组中的已编码数据，按方式I中的解码方式解码，最后输出解码数据。
2.根据权利要求I所述的用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法，编码-解码的方法I的具体步骤为编码方法的流程为步骤310 :首先读入当前时钟周期待编码数据；步骤320 :将读入的数据按位取反；步骤330 :—方面，将原读入的数据直接存储寄存器A中；步骤331 :另一方面，将按位取反后的数据存储进寄存器B中；步骤340 :将上一个周期已编码的数据放入寄存器C中；步骤350 :将寄存器A中的原始数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做按位异或运算；步骤351 :将寄存器B中的按位取反后的数据与寄存器C中的上一周期已编码数据做按位异或运算；步骤360 :将步骤350所得数据按位相加求和，得值a ；步骤361 :将步骤351所得数据按位相加求和，得值b ;步骤370 :对于a和b的大小关系作一次判断；步骤380 :如果a不大于b，则寄存器A的值为最终编码结果，置标志位为O ;步骤381 :如果a大于b，则寄存器B的值为最终编码结果，置标志位为I ;步骤390 :输出最终编码结果；经过上述判断及编码过程，传输并行数据时，在先后两个时钟周期之间，集成电路的I/O单元所输出的二进制逻辑电平信号发生变化的次数可得到有效降低；解码方法的流程为步骤410 :首先读入当前时钟周期待解码数据；步骤420 :对标志位作一次判断；步骤430 :如果标志位为1，则将待解码数据按位取反后的数据为最终解码数据；步骤431 :如果标志位不为1，则保持原值，即原待解码数据为最终解码数据；步骤440:输出最终解码数据。
3.根据权利要求I所述的用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法，编码-解码的方法2的具体步骤为编码方法的流程为步骤510 :首先读入当前时钟周期待编码数据；步骤520 :将数据拆分为多个子段；步骤530 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中编码方式进行编码；步骤540 :合并经过编码处理的各个子段；步骤550 :输出编码数据和标志位；解码方法的流程为步骤610 :首先读入当前时钟周期待解码数据；步骤620 :将数据拆分为多个子段；步骤630 :对其中每一个子段按编码-解码的方法I中解码方式进行解码；步骤640 :合并经过解码处理的各个子段；步骤650 :输出解码数据。
4.根据权利要求I所述的用于降低以太网无源光网络物理层集成电路系统功耗的方法，编码-解码的方法3的具体步骤为编码方法的流程为步骤700 :设置一个计数器并检查计数器N的数值；步骤710 :判断计数器N的值是否为N-I ；步骤720 :如果N不为N-1，则读入待编码的数据；步骤730 :将待编码的数据按编码-解码的方法I中编码方法编码；步骤740 :将编码所得的标志位存于寄存器组D中；步骤750 :计数器N的值递增I ;步骤760 :如果N的值为N-I，则读入寄存器组D中数据；步骤770 :计算校验位；步骤780 :将标志位、校验位进行组合，起到关键帧的作用；步骤790:输出整个编码数据；步骤7110 :计数器N的值归零；在解码时，首先读入解码数据，分析标志位组成的关键帧；从关键帧中提取出标志位， 再根据标志位的值按编码-解码的方法I中的解码方式解码即可。
全文摘要
本发明涉及用于降低以太网无源光网络物理层电路系统峰值功耗的方法，设计了降低所用集成电路I/O单元功耗的装置，该装置作为一个模块可整合于物理层集成电路中；在并行的二进制数据传送至I/O接口之前，对数据进行编码，计算相邻时钟周期两组数据中对应二进制位发生变化的个数，若发生变化的位数较多，则进行翻转操作，并置标志位为1；根据标志位的值判断是否是为经过翻转的数据，并进行按位翻转解码；对于位宽较宽的并行I/O，可将二进制数据划分多段，对各段分别编解码；也可缓存n个位宽为m的数据，将n个数据组成一组，将n个标志位排列成一个m位宽的数据，其中不寄存标志位的m-n个二进制位用作校验，将该数据作为一个关键帧。
文档编号H04L12/24GK102611951SQ20121006320
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者刘露, 张望伟, 朱恩, 林叶, 顾皋蔚 申请人:东南大学