門(mén)控時(shí)鐘檢查（clock gating check）的理解和設(shè)計(jì)應(yīng)用

門(mén)控時(shí)鐘的分類(lèi)

通過(guò)門(mén)控方式不同，一個(gè)門(mén)控時(shí)鐘通常可以分為下面基類(lèi)，

高有效（Active High）門(mén)控時(shí)鐘

通常使用與門(mén)（and）或者與非門(mén)（nand）實(shí)現(xiàn)，

當(dāng)使能信號(hào)為高的時(shí)候，時(shí)鐘才可以被釋放出去. 如果是nand，則輸出的時(shí)鐘是一個(gè)反向時(shí)鐘的波形

低有效（Active High）門(mén)控時(shí)鐘

通常使用與門(mén)（and）或者與非門(mén)（nand）實(shí)現(xiàn)，

當(dāng)使能信號(hào)為低的時(shí)候，時(shí)鐘才可以被釋放出去. 如果是nor，則輸出的時(shí)鐘是一個(gè)反向時(shí)鐘的波形

除過(guò)上述的情況，有時(shí)候也會(huì)使用復(fù)雜一些的clock gating結(jié)構(gòu)，這里的波形就會(huì)復(fù)雜一些

XOR結(jié)構(gòu)的門(mén)控時(shí)鐘

當(dāng)enable信號(hào)為1的時(shí)候，輸出是輸入的反向，反之則是正向

MUX結(jié)構(gòu)的門(mén)控時(shí)鐘

時(shí)鐘傳播單調(diào)性（unate）

靜態(tài)時(shí)序分析的基本原理是信號(hào)傳播，對(duì)于擁有明確單調(diào)性的傳播是構(gòu)建正確STA環(huán)境的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)通路對(duì)單調(diào)性（unate）通常不敏感，但是時(shí)鐘通常是邊沿敏感信號(hào)，所以時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的單調(diào)性在STA時(shí)序分析的形態(tài)中尤為重要。STA工具也只有在單調(diào)性明確的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)上做正確的時(shí)序分析，否則大概率會(huì)在實(shí)際芯片里邊出現(xiàn)和STA不一致的情況。這點(diǎn)對(duì)于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)非常重要。

通過(guò)上述幾種門(mén)控始終結(jié)構(gòu)，從單調(diào)時(shí)鐘的（unate）的角度來(lái)看，可以總結(jié)為下表

gating結(jié)構(gòu)

所以，對(duì)于所有在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)上的門(mén)控時(shí)鐘，用戶都需要明確其單調(diào)性，以便STA進(jìn)行正確的分析。

門(mén)控時(shí)鐘的的檢查（clock gating check）

通過(guò)上述描述，可以看到始終網(wǎng)絡(luò)對(duì)于靜態(tài)時(shí)序分析的重要性，所以在門(mén)控時(shí)鐘在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的傳播路徑上的檢查尤為重要。同樣，基于clock gating的結(jié)構(gòu)，對(duì)于active high，active low的門(mén)控時(shí)鐘，通過(guò)STA工具?？梢宰詣?dòng)推斷（infer）出相應(yīng)的門(mén)控時(shí)鐘檢查（clock gating check），用戶可以理解，這里的clock gating結(jié)構(gòu)被STA所覆蓋。所以用戶在需要理解STA自動(dòng)推斷的原理，從而確保自己的時(shí)鐘路徑被STA覆蓋

定義

工具判斷門(mén)控時(shí)鐘的基本標(biāo)準(zhǔn)如下

• 輸入的時(shí)鐘到輸出必須存在一個(gè)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(jié)構(gòu)（見(jiàn)下圖），但是register的分頻結(jié)構(gòu)，就不是一個(gè)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(hào)）。

  示例1： 組合邏輯的輸入都是clock，STA會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘傳播到輸出，這樣輸出的會(huì)看到四個(gè)clock，這樣的結(jié)構(gòu)是無(wú)法判定為clock gating結(jié)構(gòu)的，需要用戶在使用的時(shí)候，當(dāng)clock1有效的時(shí)候，clock2/3/4需要維持一個(gè)常1，否則輸出的clock會(huì)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(gè)gen-clock

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

由于這個(gè)AND只有clock1傳播過(guò)去，STA會(huì)自動(dòng)推斷出這是一個(gè)clock gating結(jié)構(gòu)，clock1到clock2的gating 檢查，clock2信號(hào)就是一個(gè)門(mén)控信號(hào)（enable）

示例3 ：對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的門(mén)控時(shí)鐘無(wú)法自動(dòng)推斷

這里的UMUX0滿足clock gating的結(jié)構(gòu)

但是由于MUX結(jié)構(gòu)是一個(gè)非單調(diào)性傳播（none-unate），這樣一個(gè)clock gating結(jié)構(gòu)是無(wú)法自動(dòng)推斷（auto-infer）出來(lái)的，所以在clock 傳播路徑上存在風(fēng)險(xiǎn)，這樣工具會(huì)給出如下的提示。需要用戶進(jìn)一步處理

挑戰(zhàn)

門(mén)控時(shí)鐘是在clock的傳播路徑插入了與或非邏輯，設(shè)計(jì)人員通過(guò)一定的邏輯控制達(dá)到對(duì)時(shí)鐘的操作：

• 時(shí)鐘分頻：使用低頻門(mén)控信號(hào)與高頻時(shí)鐘和做AND操作： 复制clock_slow = clock_fast * slow_enable

• 時(shí)鐘開(kāi)合：使用半靜態(tài)信號(hào)（近乎于始終關(guān)斷控制）: 复制block_clock = sys_clock * block_enable

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

  或者使用latch/reg結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)防抖的時(shí)鐘切換，但是無(wú)論門(mén)控信號(hào)的產(chǎn)生有多么復(fù)雜，只要符合門(mén)控適中的結(jié)構(gòu)，最后的clock gating check的點(diǎn)位是不會(huì)發(fā)生變化的，只是一個(gè)好的時(shí)鐘生成（clock-gen）的設(shè)計(jì)，可以對(duì)STA更友好的，推進(jìn)項(xiàng)目質(zhì)量和加速項(xiàng)目收斂，這也是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師的基本修為。

  時(shí)鐘是周期的變化，如果和一個(gè)門(mén)控邏輯進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算，通常會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘波形傳播的問(wèn)題（clock crop 或者clock swallow）：
  

在不同階段出現(xiàn)的enable信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致clock的波形發(fā)生畸變

注意：在STA的timing report中，用戶是不會(huì)看到上述問(wèn)題的影響的的，但是在實(shí)際芯片中，這種影響是真實(shí)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(jǐn)慎地進(jìn)行徹底修復(fù)，對(duì)于工具不能自動(dòng)推斷出來(lái)的clock-gating點(diǎn)，需要用戶重點(diǎn)關(guān)注和給出解決方案，否則在最后的芯片中會(huì)出現(xiàn)和STA完全不一致（無(wú)法通過(guò)STA定位）的時(shí)序問(wèn)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(xué)好v2lvs，再也不用perl去patch source netlist了~~~~

【敲黑板劃重點(diǎn)】

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