時鐘門控的作用

什么是時鐘門控?

有幾個因素會影響電路的功耗。邏輯門具有靜態(tài)或泄漏功率，只要對其施加電壓，該功率大致恒定，并且它們具有由切換電線產(chǎn)生的動態(tài)或開關(guān)功率。Flip-flop觸發(fā)器非常耗電，大約占總功率的 20%。時鐘消耗的可能更多，可能約為 40%!全局時鐘無處不在，而且每個周期都會切換兩次。正如我們將看到的，時鐘門控避免了在不需要時鐘脈沖時切換時鐘。這減少了時鐘分配和觸發(fā)器的功耗，甚至可以減少邏輯門的動態(tài)功耗。

即使在繁忙的電路中，當(dāng)你仔細(xì)觀察時，大多數(shù)邏輯電路大部分時間都沒有做有意義的工作。例如，在這個WARP-V CPU核心的跟蹤中，CPU幾乎每個周期都在執(zhí)行指令。但計算分支目標(biāo)的邏輯并不繁忙。它只需要用于分支指令。而浮點邏輯只需要用于浮點指令，等等。在下面的跟蹤波形中，大多數(shù)信號值是灰色的，表明它們沒有被使用。

顯示時鐘門控的 CPU 波形

如前所述，將時鐘信號驅(qū)動到觸發(fā)器會消耗總功率的很大一部分，因此觸發(fā)器可以將其輸入值傳播到其輸出以用于下一個執(zhí)行周期。如果這些觸發(fā)器的大部分輸入信號都是無意義的，那么就沒有必要傳播它們浪費大量的功耗。

時鐘門控切斷了不需要的時鐘脈沖。(電路也可能被設(shè)計成依賴于沒有時鐘，但我們不要把事情和這種情況混淆)。下面的電路顯示了兩個時鐘門控塊(藍(lán)色)，它們切斷了不需要的時鐘脈沖，只在進(jìn)行有意義的計算時才剛打開時鐘脈沖。

時鐘門控圖示

除了減少時鐘分配和觸發(fā)器功耗外，時鐘門控還可以保證觸發(fā)器輸出在沒有時鐘脈沖時不會擺動。這降低了下游動態(tài)功耗。總之，與非門控電路相比，時鐘門控可以節(jié)省相當(dāng)多的功率。

實施時鐘門控

時鐘門控的一個先決條件是知道什么時候信號有意義，什么時候沒有意義。這是事務(wù)級Verilog模型中固有的高級感知的一些方面。一個 "事務(wù) "的邏輯是在表明其有效性的條件下表達(dá)的。因為一個單一的條件可以應(yīng)用到事務(wù)所遵循的路徑上的所有邏輯，所以應(yīng)用有效性的開銷是最小的。

有效性不僅僅是關(guān)于時鐘門控。可以說，它有助于是否有意義。例如，前面的CPU波形是來自TL-Verilog模型。調(diào)試變得更容易了，因為我們已經(jīng)自動過濾掉了大部分的信號值，將它們識別為無意義的。我們知道它們是無意義的，因為自動檢查確保這些值不會被有意義的計算所消耗。

從一開始就有時鐘門控的全部意義可能并不明顯。我從來沒有參與過一個達(dá)到時鐘門控目標(biāo)的項目。我們總是帶著大量的機(jī)會去做芯片。這是因為省電總是最后要實現(xiàn)的事情。功能必須是第一位的。沒有它，驗證就不能取得進(jìn)展。邏輯設(shè)計人員在完成他們積壓的功能錯誤之前，不能給予時鐘門控任何真正的關(guān)注，而這要到結(jié)束時才會考慮。在這一點上，許多單元已經(jīng)成功實現(xiàn)了沒有完全的時鐘門控。該項目無疑已經(jīng)落后于計劃，而增加時鐘門控將需要重新實施，包括需要解決新的時序和芯片面積壓力。更糟糕的是，它將帶來全新的功能錯誤。因此，我們只能說，如果從一開始就將時鐘門控納入模型，則不需要任何附加成本。

結(jié)論

功耗現(xiàn)在是第一階設(shè)計約束，而時鐘門控是整個功率策略的重要組成部分。寄存器傳輸級的建模并不適合成功使用時鐘門控。事務(wù)級設(shè)計可以從一開始就設(shè)置時鐘門控，對項目進(jìn)度產(chǎn)生積極的影響，如果您計劃生產(chǎn)具有競爭力的芯片，那么從一開始就采用穩(wěn)健的時鐘門控方法非常重要。

審核編輯：湯梓紅