文章目录
- SOC Isolation Cell
- 1. Isolation Cell 的工作原理
- 2. Isolation Cell 与 Shutdown Module、Always-On Module 之间的关系
- 3. Isolation Cell 的 Primary Power 和 Secondary Power
- 4. Isolation Cell 的插入位置
- 5. Isolation Cell 示例
- 6. 总结
SOC Isolation Cell
1. Isolation Cell 的工作原理
Isolation Cell(隔离单元)是一种特殊的电路单元,主要用于在 SoC 的不同电源域(Power Domain)之间传输信号,以避免在低功耗模式下发生不受控的信号泄露或错误。其主要作用包括:
-
防止浮动信号 :当某个电源域(Power Gated Module)被关闭(Power Gating),其输出引脚可能进入不确定状态(floating),从而影响其他仍然工作的电路。Isolation Cell 确保关断区域的输出信号保持确定状态(如逻辑
0
或1
)。
其原理也很简单,基本上等同于 AND 或者 OR 门:
-
控制信号稳定性 :保证关断模块(Shutdown Module)和始终开启模块(Always-On Module)之间的信号传输稳定。
-
减少功耗 :在低功耗模式下,可以通过 Isolation Cell 降低泄漏功耗。
Isolation Cell 主要有两种工作模式:
-
Clamp to 0(夹紧到 0) :在低功耗模式下,隔离单元将输出强制拉低(输出
0
)。 -
Clamp to 1(夹紧到 1) :在低功耗模式下,隔离单元将输出强制拉高(输出
1
)。
Isolation Cell 的控制信号通常由电源管理单元(PMU)或电源域控制器(Power Domain Controller)提供。
2. Isolation Cell 与 Shutdown Module、Always-On Module 之间的关系
Isolation Cell 主要作用于不同功耗模块之间的接口,尤其是:
- Shutdown Module(关断模块)
-
该模块的电源会被完全关闭(Power Gating)。
-
关闭时,它的输出引脚会浮动(Floating),可能导致不确定的信号状态。
-
Isolation Cell 被用于防止浮动信号影响其他模块。
- Always-On Module(始终开启模块)
-
该模块的电源始终开启,例如 PMU、时钟管理、RTC(Real-Time Clock)、中断控制器等。
-
Isolation Cell 用于确保来自已关闭电源域的信号不会影响 Always-On Module 的工作。
工作流程示意:
-
当 Shutdown Module 关闭时,Isolation Cell 会将其输出强制为
0
或1
,确保 Always-On Module 继续正常工作。 -
当 Shutdown Module 恢复供电时,Isolation Cell 允许信号正常传输。
3. Isolation Cell 的 Primary Power 和 Secondary Power
Isolation Cell 连接了两个不同的电源:
- Primary Power(主电源)
-
由目标电源域(Power-Gated Module)供电,在低功耗模式下可能会关闭。
-
例如:如果某个计算模块可以被关断,它的
VDD_CORE
就可能作为 Primary Power。
- Secondary Power(次级电源)
-
由始终开启的电源域(Always-On Module)供电,即使主电源关闭,它仍然保持工作。
-
例如:如果 PMU 是 Always-On 的,它的
VDD_AON
可能作为 Secondary Power。
iso cell 有一个控制端 EN,
当 EN 无效时, A 端信号直接送到 Y 端,此时 iso cell 等效于一个buffer;
当 EN 有效时,buffer 断开,Y 端保持固定的高电平或者低电平;
为了保证isolation cell 能够在power down的时候仍然能够正常工作,一般来说 isolation cell 都会有一个primary power和一个secondary power,后者能够保证前者power down时器件仍然能够工作。
即如上图所示:
iso cell 的两组 power:primary power VDD 和 backup power VDDB,当 左边domain 关掉时, VDD off,此时就由 VDDB 供电,维持 Y 端的固定电平。
隔离单元如何依赖这两个电源?
- 在主电源关闭时,Isolation Cell 依然由 Secondary Power 供电,以确保其功能正常(维持输出
0
或1
)。 - 当主电源恢复时,Isolation Cell 允许信号正常传输。
4. Isolation Cell 的插入位置
Isolation Cell 通常被插入在 Power-Gated Module 和 Always-On Module 之间的信号通路上 ,其具体摆放位置如下:
- 在 Power-Gated Module 内部
-
Isolation Cell 可能会放在 Power-Gated Module 内部,靠近该模块的输出端。
-
这样可以防止关断模块的信号浮动后扩散到其他模块。
-
优点 :避免浮动信号在模块内传播。
- 在 Always-On Module 内部
-
Isolation Cell 也可以放置在 Always-On Module 的输入端。
-
这样可以确保来自关断模块的信号不会影响始终工作的模块。
-
优点 :可以由 Always-On Module 进行集中控制。
- 在 Power Domain Interface(电源域接口)
-
也可以将 Isolation Cell 设计成独立的电源域接口单元,在所有 Power Domain 之间提供隔离。
-
优点 :统一管理,减少每个模块单独管理的复杂度。
推荐的插入位置
-
对于 输出信号(Power-Gated Module → Always-On Module) ,Isolation Cell 通常放在 Power-Gated Module 内 ,确保关断时信号固定。
-
对于 输入信号(Always-On Module → Power-Gated Module) ,Isolation Cell 通常放在 Always-On Module 内 ,避免输入浮动。
5. Isolation Cell 示例
假设一个 SoC 设计如下:
-
CPU Core(VDD_CORE) 采用 Power Gating,可关闭以节省功耗。
-
PMU(VDD_AON) 为始终开启的模块,用于管理 SoC 的低功耗状态。
-
CPU 和 PMU 之间有中断信号(INT) ,用于唤醒 CPU。
示例电路
Power-Gated CPU (VDD_CORE) ---> Isolation Cell ---> Always-On PMU (VDD_AON)
设计逻辑
-
当
VDD_CORE
关闭时,Isolation Cell 使INT
信号固定在0
,防止浮动。 -
当
VDD_CORE
重新开启时,Isolation Cell 允许INT
信号正常传输。
Verilog 代码示例
module isolation_cell (input wire in_signal, // 来自 Power-Gated Moduleinput wire iso_enable, // 由 PMU 控制,决定是否隔离output wire out_signal // 传输到 Always-On Module
);assign out_signal = iso_enable ? in_signal : 1'b0; // Clamp to 0 模式
endmodule
时序控制
-
VDD_CORE
关闭前,iso_enable = 0
,out_signal = 0
。 -
VDD_CORE
重新打开后,iso_enable = 1
,信号正常传输。
6. 总结
- Isolation Cell 的作用
-
确保 Power-Gated Module 关闭时,其信号不会影响 Always-On Module。
-
维持确定的逻辑状态(0 或 1)。
-
降低功耗,保证低功耗模式下的可靠性。
- 与 Shutdown Module、Always-On Module 的关系
- 主要用于连接 Shutdown Module 和 Always-On Module,防止浮动信号。
- Primary Power 和 Secondary Power
-
Primary Power:被关断的模块的电源,如
VDD_CORE
。 -
Secondary Power:始终开启的电源,如
VDD_AON
,用于维持 Isolation Cell 运行。
- Isolation Cell 插入位置
-
通常放置在 Power-Gated Module 的输出端 或 Always-On Module 的输入端 。
-
也可以独立作为 Power Domain Interface 进行统一管理。
- 示例
- CPU(VDD_CORE)与 PMU(VDD_AON)之间的中断信号,需要 Isolation Cell 保护。
Isolation Cell 是 SoC 低功耗设计的关键组件,合理的设计与插入位置能有效降低功耗,提高系统可靠性。
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