門控時鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的原理

門控時鐘的設(shè)計(jì)初衷是實(shí)現(xiàn)FPGA的低功耗設(shè)計(jì)，本文從什么是門控時鐘、門控時鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的原理、推薦的FPGA門控時鐘實(shí)現(xiàn)這三個角度來分析門控時鐘。

一、什么是門控時鐘

門控時鐘技術(shù)（gating clock） 是通過在時鐘路徑上增加邏輯門對時鐘進(jìn)行控制，使電路的部分邏輯在不需要工作時停止時鐘樹的翻轉(zhuǎn)，而并不影響原本的邏輯狀態(tài)。在ASIC和FPGA設(shè)計(jì)中都存在門控時鐘的概念（前者應(yīng)用更廣）。

典型的門控時鐘邏輯如下圖所示：

二、門控時鐘降低功耗的原理

1. FPGA功耗分類

靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗又叫泄漏功耗，它是指電路處于等待或不激活狀態(tài)時-泄漏電流所產(chǎn)生的功耗。通常由FPGA制造工藝的優(yōu)化而提升。同一代的FPGA產(chǎn)品中，也有專門的低功耗版本（譬如Intel開發(fā)的Cyclone10 GX與Cyclone 10 LP，后者為低功耗版本low power但前者性能更強(qiáng)）?？梢栽贔PGA選型時加以考慮。

動態(tài)功耗：是指電容充放電功耗和短路功耗，是由電路的翻轉(zhuǎn)造成的。FPGA中的動態(tài)功耗主要體現(xiàn)在元件的電平翻轉(zhuǎn)時對負(fù)載電容的充放電及時鐘的翻轉(zhuǎn)。

2. 為什么門控時鐘可以降低功耗

當(dāng)系統(tǒng)中某模塊電路完成既定任務(wù)后（譬如TDC中對BIN的標(biāo)定等初始化類任務(wù)），通過門控時鐘使能信號的控制，使得驅(qū)動該模塊的時鐘停止翻轉(zhuǎn)，相應(yīng)的時序元件不再更新，那么其間的組合邏輯也恢復(fù)到靜態(tài)。此時該模塊的功耗相當(dāng)于靜態(tài)功耗，從而降低了整個系統(tǒng)的功耗。

三、不合理的門控時鐘設(shè)計(jì)

1.偽門控時鐘

如下圖所示，設(shè)計(jì)中有意識地使用使能信號，意圖維持寄存器的數(shù)據(jù)。但是僅對寄存器組的數(shù)據(jù)輸入端添加選擇器和使能信號，并不妨礙寄存器組時鐘輸入端的翻轉(zhuǎn)，輸出維持不變只是因?yàn)榇嬖诜答伝芈吩诓粩嗟倪M(jìn)行使能判斷、輸出、使能判斷、輸出的循環(huán)。實(shí)則并沒有起到低功耗的作用。

當(dāng)然某些情況下確實(shí)需要用到這種設(shè)計(jì)，此處僅用來和門控時鐘做區(qū)分，避免混淆。

2.直接門控時鐘

將使能信號直接連接在AND門，結(jié)構(gòu)簡單。不足之處在于產(chǎn)生使能信號的組合邏輯的毛刺將完全地反應(yīng)到AND門，造成門控時鐘輸出質(zhì)量變差（clk_en將會有占空比不良和毛刺等情況）。

四、推薦的門控時鐘設(shè)計(jì)

1.基于鎖存器的門控時鐘

鎖存器是電平敏感的元件，此圖中當(dāng)CLK信號為低電平時，鎖存器透明，EN端數(shù)據(jù)直接傳輸至AND門的一端（ENL），AND門另一端連接CLK。

當(dāng)產(chǎn)生使能信號的組合邏輯不復(fù)雜時，產(chǎn)生使能信號的時間小于半個時鐘周期。在CLK高電平時，鎖存器的引入有效地過濾了前段組合邏輯競爭冒險產(chǎn)生的毛刺；在時鐘低電平時，前段組合邏輯的毛刺將受到AND門控制將無法輸出。較好地實(shí)現(xiàn)了門控時鐘的要求。

當(dāng)產(chǎn)生使能信號的組合邏輯復(fù)雜時，產(chǎn)生使能信號的時間大于半個時鐘周期。考慮鎖存器的延時，那么對于首個ENCLK周期而言，占空比將被削減；當(dāng)EN信號拉低時，則有可能產(chǎn)生毛刺。均不利于后續(xù)寄存器組的時序過程。

這種情況難以通過在鎖存器前端加同步寄存器避免，因?yàn)榇藭r的使能信號是不滿足寄存器的建立時間的，大概率會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。因此產(chǎn)生門控使能信號的組合邏輯應(yīng)當(dāng)盡可能簡化，保證在半個時鐘周期之內(nèi)得到穩(wěn)定電平。

保險起見，一方面，保證使能信號半周期確定；另一方面，在鎖存器之前加一級上升沿觸發(fā)的寄存器，過濾輸入鎖存器的信號。

2.基于寄存器的門控時鐘

上面介紹的基于鎖存器的門控時鐘實(shí)際上更適合在ASIC中實(shí)現(xiàn)，一方面FPGA中沒有專門的鎖存器資源，需要利用其中的組合邏輯資源外加寄存器來等效地實(shí)現(xiàn)，不經(jīng)濟(jì)；另一方面，鎖存器本身的特性沒法進(jìn)行靜態(tài)時序分析，出問題了不易排查。

真正適合在FPGA中實(shí)現(xiàn)的是基于寄存器的門控時鐘，如下圖所示。

前段使用加法器產(chǎn)生計(jì)數(shù)值，通過比較器產(chǎn)生使能信號，送入使能寄存器。值得注意的是，前端產(chǎn)生使能邏輯時序元件是上升沿觸發(fā)，而使能寄存器是下降沿觸發(fā)。如此一來，同樣需要滿足產(chǎn)生使能信號的組合邏輯簡單這一前提要求（半周期內(nèi)達(dá)到en寄存器的建立時間）。好處在于，AND門時時刻刻都只有一個輸入在變，不容易產(chǎn)生毛刺。時序圖如下：

為了便于理解，此處給出若使能寄存器也是上升沿觸發(fā)的時序圖：

可見，AND門變化時兩個個輸入在變，容易產(chǎn)生毛刺。

五、討論

只有當(dāng)FPGA工程需要大量降低功耗時才有必要引入門控時鐘，若必須引入門控時鐘，則推薦使用基于寄存器的門控時鐘設(shè)計(jì)。

在時鐘樹的枝干處使用門控，而不是在枝丫處使用門控。

使用門控時，應(yīng)該注意時鐘的質(zhì)量（使用專用時鐘網(wǎng)絡(luò)），畢竟好的時鐘才能產(chǎn)生好的使能信號和門控時鐘信號。同時，產(chǎn)生使能信號的邏輯不能太復(fù)雜，確保可以滿足使能寄存器的建立時間和保持時間。

與或門控輸出的時鐘信號，需要在timeanalyzer中設(shè)置為base clock。否則將會引入人為的時鐘偏斜。如下，將會以沒有使能寄存器的門控路徑作為最短分析路徑，以有寄存器的路徑作為最長路徑分析。

In certain cases， converting the gated clocks to clock enables may help reduce glitch and clock skew， and eventually produce a more accurate timing analysis. You can set the Quartus II software to automatically convert gated clocks to clock enables by turning on the Auto Gated Clock Conversion （在綜合的設(shè)置里面）option. The conversion applies to two types of gated clocking schemes： single-gated clock and cascaded-gated clock

類似地，產(chǎn)生門控時鐘信號最好只有一個兩輸入AND門（OR門）。附加邏輯越多，產(chǎn)生毛刺可能性越大。

原文標(biāo)題：四、推薦的門控時鐘設(shè)計(jì)

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