門控時鐘的設計初衷是實現(xiàn)FPGA的低功耗設計,，本文從什么是門控時鐘,、門控時鐘實現(xiàn)低功耗的原理、推薦的FPGA門控時鐘實現(xiàn)這三個角度來分析門控時鐘,。

　　一,、什么是門控時鐘

　　門控時鐘技術（gating clock） 是通過在時鐘路徑上增加邏輯門對時鐘進行控制，使電路的部分邏輯在不需要工作時停止時鐘樹的翻轉(zhuǎn),，而并不影響原本的邏輯狀態(tài),。在ASIC和FPGA設計中都存在門控時鐘的概念（前者應用更廣）。

　　典型的門控時鐘邏輯如下圖所示：

　　二,、門控時鐘降低功耗的原理

　　1. FPGA功耗分類

　　靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗又叫泄漏功耗,，它是指電路處于等待或不激活狀態(tài)時-泄漏電流所產(chǎn)生的功耗。通常由FPGA制造工藝的優(yōu)化而提升,。同一代的FPGA產(chǎn)品中,，也有專門的低功耗版本（譬如Intel開發(fā)的Cyclone10 GX與Cyclone 10 LP，后者為低功耗版本low power但前者性能更強）,?？梢栽贔PGA選型時加以考慮。

　　動態(tài)功耗：是指電容充放電功耗和短路功耗,，是由電路的翻轉(zhuǎn)造成的,。FPGA中的動態(tài)功耗主要體現(xiàn)在元件的電平翻轉(zhuǎn)時對負載電容的充放電及時鐘的翻轉(zhuǎn)。

　　2. 為什么門控時鐘可以降低功耗

　　當系統(tǒng)中某模塊電路完成既定任務后（譬如TDC中對BIN的標定等初始化類任務）,，通過門控時鐘使能信號的控制,，使得驅(qū)動該模塊的時鐘停止翻轉(zhuǎn)，相應的時序元件不再更新,，那么其間的組合邏輯也恢復到靜態(tài),。此時該模塊的功耗相當于靜態(tài)功耗，從而降低了整個系統(tǒng)的功耗,。

　　三,、不合理的門控時鐘設計

　　1.偽門控時鐘

　　如下圖所示,，設計中有意識地使用使能信號，意圖維持寄存器的數(shù)據(jù),。但是僅對寄存器組的數(shù)據(jù)輸入端添加選擇器和使能信號,，并不妨礙寄存器組時鐘輸入端的翻轉(zhuǎn)，輸出維持不變只是因為存在反饋回路在不斷的進行使能判斷,、輸出,、使能判斷、輸出的循環(huán),。實則并沒有起到低功耗的作用,。

　　當然某些情況下確實需要用到這種設計，此處僅用來和門控時鐘做區(qū)分,，避免混淆,。

　　2.直接門控時鐘

　　將使能信號直接連接在AND門，結構簡單,。不足之處在于產(chǎn)生使能信號的組合邏輯的毛刺將完全地反應到AND門，造成門控時鐘輸出質(zhì)量變差（clk_en將會有占空比不良和毛刺等情況）,。

　　四,、推薦的門控時鐘設計

　　1.基于鎖存器的門控時鐘

　　鎖存器是電平敏感的元件，此圖中當CLK信號為低電平時,，鎖存器透明,，EN端數(shù)據(jù)直接傳輸至AND門的一端（ENL），AND門另一端連接CLK,。

　　當產(chǎn)生使能信號的組合邏輯不復雜時,，產(chǎn)生使能信號的時間小于半個時鐘周期。在CLK高電平時,，鎖存器的引入有效地過濾了前段組合邏輯競爭冒險產(chǎn)生的毛刺,；在時鐘低電平時，前段組合邏輯的毛刺將受到AND門控制將無法輸出,。較好地實現(xiàn)了門控時鐘的要求,。

　　當產(chǎn)生使能信號的組合邏輯復雜時，產(chǎn)生使能信號的時間大于半個時鐘周期,?？紤]鎖存器的延時，那么對于首個ENCLK周期而言,，占空比將被削減,；當EN信號拉低時，則有可能產(chǎn)生毛刺,。均不利于后續(xù)寄存器組的時序過程,。

　　這種情況難以通過在鎖存器前端加同步寄存器避免,，因為此時的使能信號是不滿足寄存器的建立時間的，大概率會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,。因此產(chǎn)生門控使能信號的組合邏輯應當盡可能簡化,，保證在半個時鐘周期之內(nèi)得到穩(wěn)定電平。

　　保險起見,，一方面,，保證使能信號半周期確定；另一方面,，在鎖存器之前加一級上升沿觸發(fā)的寄存器,，過濾輸入鎖存器的信號。

　　2.基于寄存器的門控時鐘

　　上面介紹的基于鎖存器的門控時鐘實際上更適合在ASIC中實現(xiàn),，一方面FPGA中沒有專門的鎖存器資源,，需要利用其中的組合邏輯資源外加寄存器來等效地實現(xiàn)，不經(jīng)濟,；另一方面,，鎖存器本身的特性沒法進行靜態(tài)時序分析，出問題了不易排查,。

　　真正適合在FPGA中實現(xiàn)的是基于寄存器的門控時鐘,，如下圖所示。

　　前段使用加法器產(chǎn)生計數(shù)值,，通過比較器產(chǎn)生使能信號,，送入使能寄存器。值得注意的是,，前端產(chǎn)生使能邏輯時序元件是上升沿觸發(fā),，而使能寄存器是下降沿觸發(fā)。如此一來,，同樣需要滿足產(chǎn)生使能信號的組合邏輯簡單這一前提要求（半周期內(nèi)達到en寄存器的建立時間）,。好處在于，AND門時時刻刻都只有一個輸入在變,，不容易產(chǎn)生毛刺,。時序圖如下：

　　為了便于理解，此處給出若使能寄存器也是上升沿觸發(fā)的時序圖：

　　可見,，AND門變化時兩個個輸入在變,，容易產(chǎn)生毛刺。

　　五,、討論

　　只有當FPGA工程需要大量降低功耗時才有必要引入門控時鐘,，若必須引入門控時鐘，則推薦使用基于寄存器的門控時鐘設計,。

　　在時鐘樹的枝干處使用門控,，而不是在枝丫處使用門控,。

　　使用門控時，應該注意時鐘的質(zhì)量（使用專用時鐘網(wǎng)絡）,，畢竟好的時鐘才能產(chǎn)生好的使能信號和門控時鐘信號,。同時，產(chǎn)生使能信號的邏輯不能太復雜,，確?？梢詽M足使能寄存器的建立時間和保持時間。

　　與或門控輸出的時鐘信號,，需要在timeanalyzer中設置為base clock,。否則將會引入人為的時鐘偏斜。如下,，將會以沒有使能寄存器的門控路徑作為最短分析路徑,，以有寄存器的路徑作為最長路徑分析。

　　類似地,，產(chǎn)生門控時鐘信號最好只有一個兩輸入AND門（OR門）,。附加邏輯越多，產(chǎn)生毛刺可能性越大,。