什么是時(shí)鐘門控?

有幾個(gè)因素會(huì)影響電路的功耗。邏輯門具有靜態(tài)或泄漏功率，只要對(duì)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(dòng)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(shí)鐘消耗的可能更多，可能約為 40%!全局時(shí)鐘無(wú)處不在，而且每個(gè)周期都會(huì)切換兩次。正如我們將看到的，時(shí)鐘門控避免了在不需要時(shí)鐘脈沖時(shí)切換時(shí)鐘。這減少了時(shí)鐘分配和觸發(fā)器的功耗，甚至可以減少邏輯門的動(dòng)態(tài)功耗。

即使在繁忙的電路中，當(dāng)你仔細(xì)觀察時(shí)，大多數(shù)邏輯電路大部分時(shí)間都沒有做有意義的工作。例如，在這個(gè)WARP-V CPU核心的跟蹤中，CPU幾乎每個(gè)周期都在執(zhí)行指令。但計(jì)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(diǎn)邏輯只需要用于浮點(diǎn)指令，等等。在下面的跟蹤波形中，大多數(shù)信號(hào)值是灰色的，表明它們沒有被使用。

顯示時(shí)鐘門控的 CPU 波形

如前所述，將時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)到觸發(fā)器會(huì)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(gè)執(zhí)行周期。如果這些觸發(fā)器的大部分輸入信號(hào)都是無(wú)意義的，那么就沒有必要傳播它們浪費(fèi)大量的功耗。

時(shí)鐘門控切斷了不需要的時(shí)鐘脈沖。(電路也可能被設(shè)計(jì)成依賴于沒有時(shí)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(gè)時(shí)鐘門控塊(藍(lán)色)，它們切斷了不需要的時(shí)鐘脈沖，只在進(jìn)行有意義的計(jì)算時(shí)才剛打開時(shí)鐘脈沖。

時(shí)鐘門控圖示

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

實(shí)施時(shí)鐘門控

時(shí)鐘門控的一個(gè)先決條件是知道什么時(shí)候信號(hào)有意義，什么時(shí)候沒有意義。這是事務(wù)級(jí)Verilog模型中固有的高級(jí)感知的一些方面。一個(gè) "事務(wù) "的邏輯是在表明其有效性的條件下表達(dá)的。因?yàn)橐粋€(gè)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(shí)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(lái)自TL-Verilog模型。調(diào)試變得更容易了，因?yàn)槲覀円呀?jīng)自動(dòng)過濾掉了大部分的信號(hào)值，將它們識(shí)別為無(wú)意義的。我們知道它們是無(wú)意義的，因?yàn)樽詣?dòng)檢查確保這些值不會(huì)被有意義的計(jì)算所消耗。

從一開始就有時(shí)鐘門控的全部意義可能并不明顯。我從來(lái)沒有參與過一個(gè)達(dá)到時(shí)鐘門控目標(biāo)的項(xiàng)目。我們總是帶著大量的機(jī)會(huì)去做芯片。這是因?yàn)槭‰娍偸亲詈笠獙?shí)現(xiàn)的事情。功能必須是第一位的。沒有它，驗(yàn)證就不能取得進(jìn)展。邏輯設(shè)計(jì)人員在完成他們積壓的功能錯(cuò)誤之前，不能給予時(shí)鐘門控任何真正的關(guān)注，而這要到結(jié)束時(shí)才會(huì)考慮。在這一點(diǎn)上，許多單元已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了沒有完全的時(shí)鐘門控。該項(xiàng)目無(wú)疑已經(jīng)落后于計(jì)劃，而增加時(shí)鐘門控將需要重新實(shí)施，包括需要解決新的時(shí)序和芯片面積壓力。更糟糕的是，它將帶來(lái)全新的功能錯(cuò)誤。因此，我們只能說，如果從一開始就將時(shí)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(jì)約束，而時(shí)鐘門控是整個(gè)功率策略的重要組成部分。寄存器傳輸級(jí)的建模并不適合成功使用時(shí)鐘門控。事務(wù)級(jí)設(shè)計(jì)可以從一開始就設(shè)置時(shí)鐘門控，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度產(chǎn)生積極的影響，如果您計(jì)劃生產(chǎn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的芯片，那么從一開始就采用穩(wěn)健的時(shí)鐘門控方法非常重要。

審核編輯：湯梓紅