Reduktion der Verlustleistung integrierter CMOS-Schaltungen durch Anpassung an Signaleigenschaften:
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| Published: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1995
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| adam_text | Titel: Reduktion der Verlustleistung integrierter CMOS-Schaltungen durch Anpassung an Signaleigenschaften
Autor: Winzker, Marco
Jahr: 1995
-V- Inhaltsverzeichnis Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen.............................VIII 1. Einführung in die Thematik ....................................... 1 1.1. Einleitung ....................................................... 1 1.2. Stand der Technik ................................................. 2 1.3. Ziel und Aufbau der Arbeit.......................................... 5 2. Leistungsaufnahme integrierter Schaltungen in CMOS-Technologie..... 7 2.1. Anteile der Leistungsaufnahme....................................... 7 2.2. Dynamische Leistungsaufnahme...................................... 8 2.3. Trend der Halbleitertechnologie bezogen auf die Leistungsaufnahme......... 12 2.3.1. Ideale Prozeßskalierung ....................................... 12 2.3.2. Reale Skalierung............................................. 14 2.3.3. Entwicklungen auf Systemebene ................................ 16 2.4. Möglichkeiten zur Reduktion der Leistungsaufnahme..................... 17 2.4.1. Verringerung der Versorgungsspannung........................... 18 2.4.2. Verringerung des Spannungshubs................................ 18 2.4.3. Verringerung der Lastkapazitäten................................ 19 2.4.4. Verringerung der Schaltaktivität................................. 21 2.5. Definition des Optimiemngsziels ..................................... 23 3. Anwendungsbeispiel zur Verlustleistungsreduktion.................... 25 3.1. Auswahl des Anwendungsbeispiels ................................... 25 3.2. Algorithmen und Architekturen zur Teilbandfilterung..................... 26 3.2.1. Digitale Filter ............................................... 26 3.2.2. Teilbandfilter zur Zweikanalaufspaltung .......................... 27 3.2.3. Aufspaltung in M Bänder...................................... 30 3.2.4. Zweidimensionale Bandaufspaltung.............................. 31 3.3. Realisierung von
Teilbandfiltem...................................... 34 3.3.1. Grundstruktur ............................................... 34 3.3.2. Operationen der Filterarithmetik ................................ 34 3.3.3. Realisierung der Arithmetik.................................... 36 3.3.4. Arithmetische Grandzellen..................................... 39 3.3.5. Realisierung der Zeilenspeicher................................. 40 3.3.6. Anteile der Teilmodule an der Leistungsaufnahme .................. 41 3.3.7. Beispiel: Teilbandfilter für die Codierung von HDTV-Signalen........ 43 4. Modellierung der zu verarbeitenden Daten........................... 45 4.1. Betrachtete Daten ................................................. 45 4.1.1. Eigenschaften von Videosignalen................................ 45 4.1.2. Eigenschaften gefilterter Videosignale............................ 46 4.2. Markoff-Prozesse................................................. 49 4.3. Statistische Untersuchung von Testbildern.............................. 50 4.3.1. Verteilung der Amplitudenwerte................................. 51 4.3.2. Korrelationen zwischen benachbarten Bildpunkten.................. 52
-VI- 4.3.3. Chrominanzdaten ............................................ 53 4.4. Modellierung der auftretenden Signale................................. 54 4.4.1. Übergangswahrscheinlichkeiten bei ’Hochpaßdaten’................. 55 4.4.2. Übergangswahrscheinlichkeiten bei ’Tiefpaßdaten’.................. 56 4.4.3. Auftretenswahrscheinlichkeiten der Zustände ...................... 58 5. Reduktion der Schalthäufigkeit in arithmetischen Modulen............. 60 5.1. Schaltaktivität in arithmetischen Modulen.............................. 60 5.1.1. Berechnung der Schaltaktivität.................................. 60 5.1.2. Zwei einfache Beispiele ....................................... 61 5.1.3. Volladdierer................................................. 62 5.1.4. Grandzelle eines 4-2 Addierers ................................. 63 5.1.5. Stromverbrauch der Grandzellen ................................ 65 5.2. Darstellung der Daten.............................................. 66 5.2.1. Anforderung an Datendarstellung................................ 66 5.2.2. Bestimmung der Anzahl an Bitwechseln .......................... 67 5.3. Analyse möglicher Zahlendarstellungen................................ 68 5.3.1. Darstellung als 1er-oder 2er-Komplement........................ 68 5.3.2. Darstellung als Residuen-Zahl.................................. 69 5.3.3. Signed-Digit-Darstellung...................................... 70 5.3.4. Differenzcodierang........................................... 71 5.3.5. Addition einer Konstanten ..................................... 72 5.4. Schaltaktivität bei Verarbeitung codierter Daten ......................... 74 5.4.1. Bestimmung der Schaltaktivität ................................. 74 5.4.2. Vergleich der Schalthäufigkeit für die betrachteten Zahlendarstellungen . 76 6. Reduktion der Schalthäufigkeit bei der Datenausgabe ................. 79 6.1. Anforderung an
Datendarstellung..................................... 79 6.2. Redundanzfreie Codierung .......................................... 80 6.2.1. Einschrittige Codes........................................... 80 6.2.2. Codierung durch Signalflanken ................................. 81 6.2.3. Quellencodierang mittels Gauß-Code ............................ 82 6.2.4. Quellencodierang mittels Vertauschungscode ...................... 85 6.3. Codierung mit Redundanz........................................... 86 6.3.1. Bus-Invert-Codierang ........................................ 86 6.3.2. Redundanter Gauß-Code ...................................... 87 6.4. Aufwand für Umcodierung.......................................... 88 6.4.1. Anteile der Verlustleistung bei der Datenausgabe ................... 88 6.4.2. Verlustleistung für Codierung und Decodierung .................... 89 6.4.3. Bewertung.................................................. 91 7. Diskussion und Bewertung ........................................ 94 7.1. Diskussion der Ergebnisse .......................................... 94 7.2. Bewertung der Ergebnisse........................................... 95 7.2.1. Simulation einer Filterarithmetik ................................ 95 7.2.2. Simulation der codierten Datenausgabe........................... 96 7.3. Grenzen des Verfahrens............................................. 97 7.4. Ausblick ........................................................ 98
— VII - 8. Zusammenfassung ............................................... 100 Anhang ............................................................. 102 A-l. Verwendete Testbilder.............................................. 102 A-2. Umwandlung von Dual-Zahlen in Signed-Digit-Zahlen................... 105 A-3. Gauß-Code zur verlustleistungsannen Datenausgabe ..................... 108 k-4. Vertauschungscode zur verlustleistungsarmen Datenausgabe ............... 110 A-5. Filterarithmetik zur Wavelet-Filterung................................. 112 Literatur............................................................ 114
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