SEP4020功耗测试报告1

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测试日期：2009年9月24日，2009年9月25日，2009年9月26日

测试人：张黎明 顾昊琳 石桂康 陈招娣

 

修改记录：2009.9.27修改文档中各个模块打开部分图片 顾昊琳

 

一、           SEP4020介绍：

SEP4020提供四种低功耗模式：SLOW、NORMAL、IDLE 和SLEEP。

●SLOW 模式不打开DPLL，芯片工作频率为2~5MHZ/n，其中n=1/2/4/6/8，缺省为2~5MHZ/1；

●NORMAL 工作在DPLL 的时钟之下，此时DPLL 的输入为晶振时钟；

●IDLE 模式关闭CORE 时钟，减小内核和存储器功耗可以从 NORMAL 和SLOW 进入IDLE。

●SLEEP 关闭所有时钟，SLEEP 时的功耗<150uW，支持SDRAM 的数据自刷新，支持RTC 日历保持。

 

SEP4020有三路电源，一路供给core，一路供给DPLL,一路供给I/O（下文所有I/O均为片内I/O）。

二、           测试工具：

 1、硬件工具：

（1）SEP4020开发板，仅带有cpu+晶振+jtag的最小系统3块（以下简称最小系统）；

（2）电流测试工具：Agilent N6705A DC power analyzer；

（3）稳压电源两台。

（4）J-link

2、软件工具：

    （1）ADS1.2

（2）Protel 99 （UB4020EVB(V1.1)完整版本）

 

二、测试目的：

测试芯片级功耗。

主要测试最小系统在正常电压工作环境下（1.8V），低电压工作环境（低于1.8V）以及在高温（80°C）和低温（-40°C）下的PLL，CORE和I/O口的功耗，主要分为以下几大部分：

●动态功耗：是指cpu处于正常运行时的功耗，主要情况有：有I/O操作/无I/O操作；系统主频处于slow（4M）；normal模式的各种主频。

备注：本来打算轻载程序使用普通程序，重载程序使用循环算pi程序，但经实验验证重载程序和直接写while（1）的效果是一样的，反而是有I/O操作和无I/O操作有很大的差别，因此这里改成有I/O操作（点蜂鸣器程序）和无I/O操作情况（while循环）；测动态功耗时内部模块使能统一，仅保留最少必要模块时钟

●    特殊模式下的功耗：主要是idle和sleep模式（slow模式下已在动态功耗部分测得）

●    芯片内部模块的使能对芯片功耗的影响：系统处于正常运行时，从最少必要模块开始一个个模块使能，测试模块对芯片功耗的影响。

●    低电压工作状态：测试在pll电压保持不变的情况下，依次降低core的电压，测试芯片的四种状态（nomal, slow, idle(含进入和唤醒)，sleep（含进入和唤醒））是否正常，并找出完全不能实现的极点。

●    特殊工作温度下的功耗：主要是极端低温度（-40℃），极端高温度（80℃）

备注：静态功耗：是指系统有电压而无运行时钟，此时cpu所处的模式和sleep时的功耗几乎相同，因此静态功耗请参考sleep模式的功耗。

 

三、测试方法：

电路配置：

     由于整个系统的电压供给有三路，一路是3.3伏的电压供给芯片VDDI/O，一路1.8伏的电压供给芯片core，一路1.8伏电压供给芯片的pll。

因此本测试直接通过专用仪器给这三路供电，不通过外部稳压器件，这样这三路的所经过的电流均是SEP4020芯片本身的电流。由于Agilent N6705A DC power analyzer只能监测一路的电流（由于内部模块没有买齐），因此我们先用两路稳压源对三路中的两路供电，让高精度电流仪为监控路供电压，获得监控路电流值，并轮流转换得到三路的电流。

程序烧写：

       为了降低外围设备对分析芯片功耗所带来的影响，本测试没有提供外部存储介质，所有程序都是在内部esram中实现，先通过jtag将程序download到esram中，然后让程序运行，拔去jtag解除调试器对芯片的halt（必须拔去，因为jtag本身是使用3.3伏的，会对测试产生干扰），此时系统处于待测试状态。

 

四、测试结果及分析：

0、 测试注意点：

（1）由于程序只能在esram中运行，需要借助axd调试器，模块打开若无特别说明，均仅打开esram，emi，GPT（定时器，名称属于历史遗留问题）。程序入口地址为0x0400000，注意此时需修改程序的堆栈地址。

（2）此次测试没有开启mmu cache，因为本次测试所有代码均在esram中运行，因此开启mmu cache不能说明真实问题，留置测试板级功耗测试。

（3）在测试外设时，注意将蜂鸣器部分跳线帽断开。

（4）以mA为单位时，测到小数点后两位数据已经出现抖动，所以再保留到第三位已经没有意义了。

（5）测I/O的电流时， J-link加在电路上测的，通过多次观测，J-link在不同主频下电流区别不大，在0.50 mA—0.53 mA之间，注意数据中的I/O电流值是包括J-link的。

（6）测Core的电流时，J-link是否加载在电路上不影响测试结果，因为J-link用3.3V电压供电，不影响1.8V供电的Core电流。

 

1、  动态功耗测试

 

本节测试目的：主要测试在芯片的不同部分在芯片正常工作时的功耗比重。

 

 

 

 

测试结果：

 

Cpu状态	主频	I/O操作	Pll电流值 （mA）	Core电流值（mA）	I/O外设 （mA）	芯片总电流 （mA）
Slow	4M	有	5.45	3.25	9.00	17.7
		无	5.55	3.10	9.15	17.8
Normal	18M	有	6.62	10.65	9.81	27.08
		无	6.54	10.00	9.87	26.41
	30M	有	7.07	17.02	10.38	34.47
		无	6.55	15.89	10.50	32.94
	52M	有	6.81	28.13	11.48	46.42
		无	6.75	26.00	11.61	44.36
	88M	有	6.36	46.50	14.22	67.08
		无	6.40	43.24	13.63	63.27
	96M	有	6.70	50.50	15.57	72.77
		无	6.50	46.91	14.90	68.31

 

（红线为有I/O操作时候的电流值，蓝线为有I/O操作时候的电流值，纵坐标为电流值，单位mA，横坐标为主频，单位MHz）

无IO操作

有IO操作

(注：由于本实验使用的稳压电源值具有一定程度的波动，可能会影响PLL的电流值)。

 

无IO操作

有IO操作

 

 

有IO操作

无IO操作

 

 

 

无IO操作

有IO操作

 

分析：

       SEP4020在不同主频下，core呈线性变化，而pll和I/O部分的功耗变化不大，因此在低频的时候pll和I/O部分所占比重较大，而等频率上去后，core的比重逐渐加大并成为主要来源。从芯片整体的角度来看，在不改变主频外地其它条件下，芯片整体功耗随着芯片主频的上升而基本呈线性关系。

 

2、  特殊模式下的功耗测试

本节测试目的：主要测试芯片处于非正常工作模式下（sleep，idle）时芯片内部各部分的功耗比重。

Sleep时是将core和芯片内部其它I/O模块的时钟关闭，因此和系统主频无关；idle时只是停止core的时钟，I/O外设部分仍然有时钟，因此和主频有关；外设也仅仅打开模块gpt, emi, esram。

程序中将在进入模式后点蜂鸣器，正常情况下蜂鸣器不会响。若在测试的中发现蜂鸣器在响，则说明此时未进入特殊状态，需排查原因。

 

测试结果：

Cpu状态	cpu进入特殊模式前的主频	Pll电流值 （mA）	Core电流值 （mA）	I/O电流值 （mA）	整个芯片电流值 （mA）
Sleep	X	0.00	0.89	5.40	6.29
Idle	18M	6.48	5.69	9.00	21.17
	30M	6.96	8.71	9.65	25.32
	52M	6.76	14.02	10.75	31.53
	88M	6.56	22.67	12.42	41.65
	96M	6.53	24.60	12.81	43.94

Sleep模式整个芯片的电流值为6.29mA，无图。

 

 

分析：

（1）pll在sleep的时候电流几乎为0，在idle的时候电流变化不大。

（2）Core在sleep时也电流也比较小，但是在idle的情况下随主频呈线性变化。