什么是時(shí)鐘門控技術(shù)？為什么需要控制時(shí)鐘的通斷呢？

開始之前，我們首先來看一下什么是時(shí)鐘門控（clock gating）技術(shù)，顧名思義就是利用邏輯門技術(shù)控制時(shí)鐘的通斷。

那么為什么需要控制時(shí)鐘的通斷呢？主要基于以下幾個(gè)原因。首先，隨著工藝的發(fā)展和設(shè)計(jì)規(guī)模的增大，時(shí)鐘樹上產(chǎn)生的功耗占整個(gè)SoC功耗的比例越來越高，有時(shí)幾乎能占到50%左右。關(guān)于時(shí)鐘樹，可能前端的同學(xué)不熟悉，簡單說幾句，SoC的時(shí)鐘一般是參考時(shí)鐘經(jīng)過PLL和數(shù)字分頻器輸出的，后面可能要連接驅(qū)動(dòng)成千上萬的寄存器clock端。

這時(shí)候任何一個(gè)單一的cell都不可能有這么大的驅(qū)動(dòng)能力，因此要插入大量的buffer，而且為了保證到每個(gè)寄存器的延時(shí)一樣，clock tree還要做balance。整個(gè)的時(shí)鐘樹大概長成下圖這樣，第一級buffer叫root，中間的buffer叫branch，最后一級的buffer叫l(wèi)eaf：

圖1 時(shí)鐘樹示意圖

如果我們的芯片在不工作時(shí)，PLL依然有clock輸出的話，那整個(gè)時(shí)鐘樹依然產(chǎn)生很大的功耗。

接下來我們再看一下邊沿觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。從圖上我們能看出即使D端保持不動(dòng)，clock端變化也會(huì)消耗一些能量。想深入研究的同學(xué)可自行推導(dǎo)（可以忽略兩個(gè)復(fù)位信號(hào)）。

圖2 邊沿D觸發(fā)器

那么當(dāng)D端長時(shí)間不變時(shí)，是不是可以把CP端的變化隔離掉以降低功耗呢？答案是肯定的。

最簡單的辦法就是把clock信號(hào)和一個(gè)EN信號(hào)做“與”操作，如下圖：

圖3 簡單的時(shí)鐘門控邏輯

這個(gè)方法雖然簡單，但是如果我們不能保證EN信號(hào)相對clock的到來時(shí)間和保持時(shí)間，那么就很可能不能產(chǎn)生門控時(shí)鐘或者產(chǎn)生毛刺（glitch）。為了解決這個(gè)問題，人們提出了基于鎖存器的時(shí)鐘門控邏輯。由于鎖存器能捕捉到EN信號(hào)并使它保持到產(chǎn)生完整的時(shí)鐘脈沖，因此EN信號(hào)只需要在時(shí)鐘活躍沿附近保持穩(wěn)定即可。使用這種技術(shù)，每次只需要改變門的一個(gè)輸入端來打開或關(guān)閉時(shí)鐘就能保證電路的輸出不含有任何毛刺或者尖峰脈沖了。

圖4 基于鎖存器的時(shí)鐘門控

現(xiàn)在的芯片生產(chǎn)商會(huì)提供時(shí)鐘門控的標(biāo)準(zhǔn)單元，為了DFT測試的需要，標(biāo)準(zhǔn)門控單元還會(huì)帶著test_en這種輸入信號(hào)，今天為了不跑題就不介紹相關(guān)內(nèi)容了。

接下來就是架構(gòu)師和邏輯設(shè)計(jì)工程師關(guān)心的問題了，怎么設(shè)計(jì)門控邏輯。在SoC設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)三種粒度的時(shí)鐘門控設(shè)計(jì)，首先是粗粒度的設(shè)計(jì)，架構(gòu)師要決定如何在時(shí)鐘產(chǎn)生單元增加門控邏輯，根據(jù)SoC工作情況來判決是否關(guān)斷某個(gè)時(shí)鐘輸出。這里提供一個(gè)思路，先根據(jù)功能劃分出clock domain，然后再根據(jù)每個(gè)模塊/IP之間的關(guān)系制定一張表，用于決定每個(gè)時(shí)鐘域的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。

有了這張表就相當(dāng)于有了一個(gè)狀態(tài)機(jī)，根據(jù)狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)決定時(shí)鐘是否關(guān)閉。至于狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的判決，可以是硬判決也可以是軟判決。硬判決的好處是相對速度快；缺點(diǎn)是靈活性較差，而且設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，往往需要模塊/IP有接口信號(hào)可用。軟判決剛好相反，優(yōu)點(diǎn)是靈活性高；缺點(diǎn)是延遲比較大，不適于頻繁開關(guān)，對于某些設(shè)計(jì)來說，實(shí)現(xiàn)軟判決還要增加處理器，畢竟不是所有SoC都有CPU/MCU/DSP的。

其次是中等粒度的設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)師來決定是否關(guān)斷內(nèi)部子模塊的時(shí)鐘輸入。這里沒啥好說的，完全取決于模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方案了。

最后，可以在邏輯綜合階段，由綜合工具自動(dòng)插入門控單元。前面兩條依賴具體設(shè)計(jì)，最后一條不完全依賴設(shè)計(jì)，再多說幾句。如果RTL代碼寫成下圖左邊的樣子，在邏輯綜合時(shí)不打開插CG的選項(xiàng)，綜合出的電路如中圖所示；而打開插入CG的選項(xiàng)，就會(huì)綜合出下圖右邊的電路。由于CG單元本身也會(huì)產(chǎn)生功耗，一般一個(gè)CG單元后面要接多個(gè)寄存器才能達(dá)到節(jié)省功耗的效果。一般在綜合時(shí)會(huì)通過選項(xiàng)選擇3或4個(gè)。

圖5 綜合插入CG的示意圖

對于綜合工具，其插入CG的判定很簡單，就是看有沒有上圖代碼中的enbale邏輯。如果沒有就不插。所以如果邏輯設(shè)計(jì)師想要寫出滿足低功耗需求的RTL代碼，就要盡量在代碼中使用類似上圖的enable邏輯?？赡苡邢矚g刨根問底的同學(xué)要提問了“如果我的某段邏輯就沒有enable怎么辦？”這種情況下，可以試著向前或者向后找一找，有沒有哪些邏輯可以借用過來。比如下圖例子，綠色虛線代表可以增加的邏輯。RTL低功耗設(shè)計(jì)方法有很多，大家可以百度一下，或者等我以后寫（此處有坑）。

圖6 前向借用邏輯產(chǎn)生時(shí)鐘門控信號(hào)

最后，要說明一個(gè)關(guān)于clock gating的誤區(qū)。時(shí)鐘門控固然可以節(jié)省功耗，但并不是越多越好。當(dāng)CG cell達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，再增加CG cell對功耗節(jié)省的效果就不明顯了。而且如前面所說，CG cell本身也是要產(chǎn)生功耗的，數(shù)量太多的話肯定要消耗不少，而且還會(huì)占用大量的面積，過猶不及。（再一次體現(xiàn)出做SoC的balance藝術(shù)，還是那句話，沒有完美的SoC，只有完美的tradeoff）

圖7 CG數(shù)量與節(jié)省功耗的關(guān)系

結(jié)束前總結(jié)一下，clock gating技術(shù)對整體SoC設(shè)計(jì)的影響。

表1 低功耗技術(shù)總結(jié)