时钟门控的作用

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什么是时钟门控？

有几个因素会影响电路的功耗。逻辑门具有静态或泄漏功率，只要对其施加电压，该功率大致恒定，并且它们具有由切换电线产生的动态或开关功率。Flip-flop触发器非常耗电，大约占总功率的 20%。时钟消耗的可能更多，可能约为 40%！全局时钟无处不在，而且每个周期都会切换两次。正如我们将看到的，时钟门控避免了在不需要时钟脉冲时切换时钟。这减少了时钟分配和触发器的功耗，甚至可以减少逻辑门的动态功耗。

即使在繁忙的电路中，当你仔细观察时，大多数逻辑电路大部分时间都没有做有意义的工作。例如，在这个WARP-V CPU核心的跟踪中，CPU几乎每个周期都在执行指令。但计算分支目标的逻辑并不繁忙。它只需要用于分支指令。而浮点逻辑只需要用于浮点指令，等等。在下面的跟踪波形中，大多数信号值是灰色的，表明它们没有被使用。

显示时钟门控的 CPU 波形

如前所述，将时钟信号驱动到触发器会消耗总功率的很大一部分，因此触发器可以将其输入值传播到其输出以用于下一个执行周期。如果这些触发器的大部分输入信号都是无意义的，那么就没有必要传播它们浪费大量的功耗。

时钟门控切断了不需要的时钟脉冲。(电路也可能被设计成依赖于没有时钟，但我们不要把事情和这种情况混淆)。下面的电路显示了两个时钟门控块（蓝色），它们切断了不需要的时钟脉冲，只在进行有意义的计算时才刚打开时钟脉冲。

时钟门控图示

除了减少时钟分配和触发器功耗外，时钟门控还可以保证触发器输出在没有时钟脉冲时不会摆动。这降低了下游动态功耗。总之，与非门控电路相比，时钟门控可以节省相当多的功率。

实施时钟门控

时钟门控的一个先决条件是知道什么时候信号有意义，什么时候没有意义。这是事务级Verilog模型中固有的高级感知的一些方面。一个 "事务 "的逻辑是在表明其有效性的条件下表达的。因为一个单一的条件可以应用到事务所遵循的路径上的所有逻辑，所以应用有效性的开销是最小的。

有效性不仅仅是关于时钟门控。可以说，它有助于是否有意义。例如，前面的CPU波形是来自TL-Verilog模型。调试变得更容易了，因为我们已经自动过滤掉了大部分的信号值，将它们识别为无意义的。我们知道它们是无意义的，因为自动检查确保这些值不会被有意义的计算所消耗。

从一开始就有时钟门控的全部意义可能并不明显。我从来没有参与过一个达到时钟门控目标的项目。我们总是带着大量的机会去做芯片。这是因为省电总是最后要实现的事情。功能必须是第一位的。没有它，验证就不能取得进展。逻辑设计人员在完成他们积压的功能错误之前，不能给予时钟门控任何真正的关注，而这要到结束时才会考虑。在这一点上，许多单元已经成功实现了没有完全的时钟门控。该项目无疑已经落后于计划，而增加时钟门控将需要重新实施，包括需要解决新的时序和芯片面积压力。更糟糕的是，它将带来全新的功能错误。因此，我们只能说，如果从一开始就将时钟门控纳入模型，则不需要任何附加成本。

结论

功耗现在是第一阶设计约束，而时钟门控是整个功率策略的重要组成部分。寄存器传输级的建模并不适合成功使用时钟门控。事务级设计可以从一开始就设置时钟门控，对项目进度产生积极的影响，如果您计划生产具有竞争力的芯片，那么从一开始就采用稳健的时钟门控方法非常重要。

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