門控時(shí)鐘是一種在系統(tǒng)不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，關(guān)閉特定塊的時(shí)鐘的方法，目前很多低功耗SoC設(shè)計(jì)都將其用作節(jié)省動(dòng)態(tài)功率的有效技術(shù)。在SoC設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘門控可以在兩個(gè)級(jí)別完成：

1. 門控時(shí)鐘被設(shè)計(jì)到SoC架構(gòu)中，并被編碼為RTL功能的一部分。當(dāng)這些相關(guān)的模塊處于非激活狀態(tài)時(shí)，它會(huì)停止各個(gè)模塊的時(shí)鐘，從而有效地禁用這些塊的所有功能。由于大的邏輯塊在這些非激活的時(shí)鐘周期內(nèi)都不進(jìn)行切換和運(yùn)算操作，因此節(jié)省了大量的動(dòng)態(tài)功率。時(shí)鐘門控的最簡(jiǎn)單和最常見的形式是使用邏輯“與”功能通過控制信號(hào)enable選擇性地禁用各個(gè)塊的時(shí)鐘。

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2. 在綜合期間，相關(guān)工具自動(dòng)識(shí)別共享公共使能控制信號(hào)的觸發(fā)器組，并使用它們選擇性地關(guān)閉這些觸發(fā)器組的時(shí)鐘。

這兩種時(shí)鐘門控方法最終都將在控制其下游時(shí)鐘的時(shí)鐘路徑中引入具體物理邏輯門。即使映射到SoC中，這些邏輯門也可能會(huì)引入額外的時(shí)鐘偏差，并導(dǎo)致設(shè)置和保持時(shí)間沖突，然而，這可以通過SoC后端STA流程或者其他手段的時(shí)鐘樹綜合和布局工具來補(bǔ)償。SoC設(shè)計(jì)的時(shí)鐘樹綜合平衡了源和目的地之間的時(shí)鐘緩沖、分段和布線，以確保定時(shí)關(guān)閉，使這些路徑包括時(shí)鐘門控。這在FPGA技術(shù)中是不可能的，因此如果SoC設(shè)計(jì)包含大量門控時(shí)鐘或復(fù)雜的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，則需要其他一些方法來映射SoC設(shè)計(jì)。

所有FPGA設(shè)備都有專用的低偏斜時(shí)鐘樹網(wǎng)絡(luò)，稱為全局時(shí)鐘。它們的數(shù)量有限，但它們可以計(jì)時(shí)FPGA中的順序資源，頻率為數(shù)百兆赫。由于FPGA供應(yīng)商的精湛設(shè)計(jì)技術(shù)，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)在FPGA中的任意兩個(gè)目的地之間也只有幾十皮秒的偏差。因此，當(dāng)我們將設(shè)計(jì)目標(biāo)定為FPGA時(shí)，始終建議使用這些全局時(shí)鐘。然而，F(xiàn)PGA時(shí)鐘資源不適合創(chuàng)建大量相對(duì)較小的時(shí)鐘域，如我們通常在SoC中發(fā)現(xiàn)的那樣。相反，F(xiàn)PGA更適合于實(shí)現(xiàn)少量的大型同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為是整個(gè)設(shè)備的全局網(wǎng)絡(luò)。

全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)非常有用，但可能不夠靈活，無法滿足復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)的時(shí)鐘需求，尤其是在RTL中執(zhí)行時(shí)鐘門控時(shí)。這是因?yàn)槲锢黹T被時(shí)鐘門控過程引入時(shí)鐘路徑，并且全局時(shí)鐘線不能自然地容納這些物理門。因此，布局布線工具將被迫為具有插入門的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)使用其他片上路由資源，通常導(dǎo)致到目標(biāo)寄存器的不同路徑之間的大的時(shí)鐘偏移。

當(dāng)在SoC中采用架構(gòu)級(jí)時(shí)鐘門控時(shí)，例如當(dāng)為時(shí)鐘使用粗粒度開關(guān)控制以減少動(dòng)態(tài)功耗時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。在這些情況下，可以將門控時(shí)鐘的所有負(fù)載劃分到同一FPGA中，并從同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器塊驅(qū)動(dòng)它們。在一些SoC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)中也可能存在跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)，即源和目標(biāo)觸發(fā)器由不同相關(guān)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的路徑，例如，時(shí)鐘和由時(shí)鐘路徑中的物理門創(chuàng)建的導(dǎo)出門控時(shí)鐘，如圖所示。來自源觸發(fā)器的數(shù)據(jù)很可能比門控時(shí)鐘更快/更晚到達(dá)目的地觸發(fā)器，并且這種競(jìng)爭(zhēng)條件可能導(dǎo)致定時(shí)沖突。

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上述競(jìng)爭(zhēng)條件的解決方案是將基準(zhǔn)時(shí)鐘和選通與選通時(shí)鐘分開。然后將分離的基本時(shí)鐘路由到時(shí)鐘，并選通到時(shí)鐘使能所有順序元件。當(dāng)時(shí)鐘“打開”時(shí)，順序元件將被啟用，當(dāng)時(shí)鐘“關(guān)閉”時(shí)，序列元件將被禁用。通常，許多門控時(shí)鐘來自同一基準(zhǔn)時(shí)鐘，因此將門控與時(shí)鐘分離允許單個(gè)全局時(shí)鐘線用于許多門控時(shí)鐘。這樣，功能時(shí)鐘路徑中存在的邏輯門被移動(dòng)到數(shù)據(jù)路徑中，這消除了時(shí)鐘偏移。

這個(gè)過程稱為門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。FPGA中的所有順序元件都有專用的時(shí)鐘使能輸入，因此在大多數(shù)情況下，門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換可以使用這一點(diǎn)，而不需要任何額外的FPGA資源。然而，手動(dòng)將門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為等效啟用是一個(gè)困難且容易出錯(cuò)的過程，盡管如果SoC設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘門控都在設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)中的同一位置執(zhí)行，而不是分散在各個(gè)子功能中，則可能會(huì)稍微容易一些。

頂層的芯片支持塊可以包括驅(qū)動(dòng)整個(gè)SoC所需的所有時(shí)鐘生成和時(shí)鐘門控。然后，在原型設(shè)計(jì)期間，可以用其FPGA等效邏輯替換該Chip Support模塊。同時(shí)，我們可以手動(dòng)將時(shí)鐘門替換為啟用信號(hào)，該啟用信號(hào)可以在整個(gè)設(shè)備中路由。

然后，這將在原始門控時(shí)鐘每次上升時(shí)僅啟用全局時(shí)鐘的單個(gè)邊緣。在大多數(shù)情況下，由于復(fù)雜性，手動(dòng)操作是不可能的，例如，如果時(shí)鐘在RTL中的許多不同的始終或過程塊處被本地門控。在這種情況下，可能是大多數(shù)設(shè)計(jì)流程中的默認(rèn)情況，可以采用自動(dòng)門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。

審核編輯：劉清