門控時鐘檢查（clock gating check）的理解和設計應用

門控時鐘的分類

通過門控方式不同，一個門控時鐘通常可以分為下面基類，

高有效（Active High）門控時鐘

通常使用與門（and）或者與非門（nand）實現(xiàn)，

當使能信號為高的時候，時鐘才可以被釋放出去. 如果是nand，則輸出的時鐘是一個反向時鐘的波形

低有效（Active High）門控時鐘

通常使用與門（and）或者與非門（nand）實現(xiàn)，

當使能信號為低的時候，時鐘才可以被釋放出去. 如果是nor，則輸出的時鐘是一個反向時鐘的波形

除過上述的情況，有時候也會使用復雜一些的clock gating結構，這里的波形就會復雜一些

XOR結構的門控時鐘

當enable信號為1的時候，輸出是輸入的反向，反之則是正向

MUX結構的門控時鐘

時鐘傳播單調性（unate）

靜態(tài)時序分析的基本原理是信號傳播，對于擁有明確單調性的傳播是構建正確STA環(huán)境的基礎，數(shù)據(jù)通路對單調性（unate）通常不敏感，但是時鐘通常是邊沿敏感信號，所以時鐘網(wǎng)絡的單調性在STA時序分析的形態(tài)中尤為重要。STA工具也只有在單調性明確的時鐘網(wǎng)絡上做正確的時序分析，否則大概率會在實際芯片里邊出現(xiàn)和STA不一致的情況。這點對于時鐘網(wǎng)絡的設計非常重要。

通過上述幾種門控始終結構，從單調時鐘的（unate）的角度來看，可以總結為下表

gating結構

所以，對于所有在時鐘網(wǎng)絡上的門控時鐘，用戶都需要明確其單調性，以便STA進行正確的分析。

門控時鐘的的檢查（clock gating check）

通過上述描述，可以看到始終網(wǎng)絡對于靜態(tài)時序分析的重要性，所以在門控時鐘在時鐘網(wǎng)絡的傳播路徑上的檢查尤為重要。同樣，基于clock gating的結構，對于active high，active low的門控時鐘，通過STA工具?？梢宰詣油茢啵╥nfer）出相應的門控時鐘檢查（clock gating check），用戶可以理解，這里的clock gating結構被STA所覆蓋。所以用戶在需要理解STA自動推斷的原理，從而確保自己的時鐘路徑被STA覆蓋

定義

工具判斷門控時鐘的基本標準如下

• 輸入的時鐘到輸出必須存在一個組合邏輯的傳播路徑。常規(guī)的與或非，或者常規(guī)的latch based 的clock gating結構（見下圖），但是register的分頻結構，就不是一個clock gating。

• 輸入的端口必須包含clock，但是輸入到輸出的傳播必須包含數(shù)據(jù)路徑（gated 信號）。

  示例1： 組合邏輯的輸入都是clock，STA會自動將時鐘傳播到輸出，這樣輸出的會看到四個clock，這樣的結構是無法判定為clock gating結構的，需要用戶在使用的時候，當clock1有效的時候，clock2/3/4需要維持一個常1，否則輸出的clock會出現(xiàn)混亂
  
  示例2： 輸入都是clock，但是用戶使用下列命令在輸出創(chuàng)建了一個gen-clock

  create_generated_clock -name clock1_gen_clk -divide_by 1 \\
  -source clock1 [get_pins U1/Z]
  

由于這個AND只有clock1傳播過去，STA會自動推斷出這是一個clock gating結構，clock1到clock2的gating 檢查，clock2信號就是一個門控信號（enable）

示例3 ：對于一個復雜的門控時鐘無法自動推斷

這里的UMUX0滿足clock gating的結構

但是由于MUX結構是一個非單調性傳播（none-unate），這樣一個clock gating結構是無法自動推斷（auto-infer）出來的，所以在clock 傳播路徑上存在風險，這樣工具會給出如下的提示。需要用戶進一步處理

挑戰(zhàn)

門控時鐘是在clock的傳播路徑插入了與或非邏輯，設計人員通過一定的邏輯控制達到對時鐘的操作：

• 時鐘分頻：使用低頻門控信號與高頻時鐘和做AND操作： clock_slow = clock_fast * slow_enable

• 時鐘開合：使用半靜態(tài)信號（近乎于始終關斷控制）: block_clock = sys_clock * block_enable

• 時鐘選擇：使用半靜態(tài)信號（近乎于模式控制）: clock_out =（sel==1'b0）？func_clock : scan_clock

  或者使用latch/reg結構，設計一個防抖的時鐘切換，但是無論門控信號的產(chǎn)生有多么復雜，只要符合門控適中的結構，最后的clock gating check的點位是不會發(fā)生變化的，只是一個好的時鐘生成（clock-gen）的設計，可以對STA更友好的，推進項目質量和加速項目收斂，這也是一個有經(jīng)驗的設計工程師的基本修為。

  時鐘是周期的變化，如果和一個門控邏輯進行組合邏輯運算，通常會出現(xiàn)時鐘波形傳播的問題（clock crop 或者clock swallow）：
  

在不同階段出現(xiàn)的enable信號，會導致clock的波形發(fā)生畸變

注意：在STA的timing report中，用戶是不會看到上述問題的影響的的，但是在實際芯片中，這種影響是真實發(fā)生的。 所以，clock-gating的邏輯，必須被clock-gating-check所覆蓋，并且需要謹慎地進行徹底修復，對于工具不能自動推斷出來的clock-gating點，需要用戶重點關注和給出解決方案，否則在最后的芯片中會出現(xiàn)和STA完全不一致（無法通過STA定位）的時序問題。

未完待續(xù)… (To Be continued …)

這樣處理以后，LVS的std-cell的port mismatch也就完美解決了，

學好v2lvs，再也不用perl去patch source netlist了~~~~

【敲黑板劃重點】

理解門控時鐘檢查（clock-gating-check）和理解門控時鐘（clock-gating）同等重要，任何在clock tree上做的動作都需要額外的小心。