寄存器陣列低功耗設(shè)計方案

芯片通常會用到一個寄存器陣列。用戶通過SPI, I2C之類的接口對寄存器進(jìn)行讀寫操作，實現(xiàn)各個模塊的配置，狀態(tài)查詢等等。

如果不考慮功耗，CTS時工具會插入一個類似下面這樣結(jié)構(gòu)的clock tree。不妨做個簡單估算。

假設(shè)寄存器陣列有128個8-bit寄存器。每個8-bit寄存器由8個DFF組成?？偣?024個DFF。

假設(shè)每8個DFF工具插入一個CTB。128個8-bit寄存器就需要插入128個CTB。

假設(shè)每8個CTB又需要插入一個CTB來驅(qū)動。前一步插入的128個CTB需要再插入16個CTB驅(qū)動。

這16個CTB又需要再插入兩個CTB來驅(qū)動。

總共需要插入128+16+2=146個CTB。

假設(shè)接口為SPI，讀寫protocol是1位RW，7位地址，8位數(shù)據(jù)。每次讀寫都是16個SPI clock。假設(shè)SPI clock直接用做寄存器陣列時鐘（通常有片子里有OSC，需要SPI clock domain到OSC clock domain transfer。那是另一個技巧了。這里就不展開了）。如果不插入ICG，每次讀寫時1024個DFF + 146個CTB都switch 16個SPI clock，那可是不小的功耗，尤其是頻繁讀寫的場景。

上述這種實現(xiàn)方法比較“蠢”。我們知道，每次讀寫只能對一個寄存器進(jìn)行操作，沒必要所有的寄存器都給時鐘?；谶@個樸素的想法，我們可以利用工具降低功耗。

寄存器陣列的結(jié)構(gòu)有規(guī)律。綜合工具可以根據(jù)地址解碼插入ICG。假設(shè)插入的ICG驅(qū)動能力足夠，整個寄存器的clock tree會變成類似下面這樣的結(jié)構(gòu)。

對寄存器陣列進(jìn)行操作時，只有地址符合的寄存器ICG才會被打開，該寄存器的DFF才會得到時鐘。而其他地址不符合的寄存器ICG關(guān)閉，沒有時鐘，也就沒有switching power。這樣一來，每次寫操作實際只有一個寄存器會switching，大大減少了switching power。美中不足的是，對任何寄存器操作時ICG前面的CTB都會有時鐘，這部分clock tree仍消耗switching power。

寄存器寫操作的時候會改變寄存器內(nèi)容，需要時鐘鎖入新的數(shù)據(jù)。但是，對寄存器進(jìn)行讀操作的時候，寄存器內(nèi)容不改變，寄存器不需要時鐘。這個特點工具是不知道的，但是designer可以利用起來。一個很自然的想法就是只在寄存器寫操作放clock進(jìn)來。

其次，雖然每個SPI寫操作需要16個SPI clock。但是實際上寄存器陣列只需要在地址，數(shù)據(jù)都收到后給一個寫時鐘脈沖就可以了，不需要多個時鐘反復(fù)寫幾次。

基于上面這兩個想法，我們可以在寄存器陣列的時鐘入口處加一個ICG。這個ICG只在寫操作的時候打開，且只在地址數(shù)據(jù)都收到后打開一個時鐘周期，放一個時鐘脈沖過去。這樣整個clock tree的switching power就大大降低了。

寄存器陣列時鐘入口處的ICG要在RTL里加。

寫RTL的時候就考慮功耗并手動插入ICG是實現(xiàn)低功耗的最有效手段。再加上工具輔助優(yōu)化一下，就很完美了。

審核編輯：黃飛