門控時鐘的設(shè)計初衷是實現(xiàn)FPGA的低功耗設(shè)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(shù)（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(shè)計中都存在門控時鐘的概念（前者應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)中某模塊電路完成既定任務(wù)后（譬如TDC中對BIN的標定等初始化類任務(wù)），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(yīng)的時序元件不再更新，那么其間的組合邏輯也恢復(fù)到靜態(tài)。此時該模塊的功耗相當(dāng)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(shè)計

　　1.偽門控時鐘

　　如下圖所示，設(shè)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(dāng)然某些情況下確實需要用到這種設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(dāng)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(dāng)產(chǎn)生使能信號的組合邏輯不復(fù)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(dāng)產(chǎn)生使能信號的組合邏輯復(fù)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(dāng)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(yīng)當(dāng)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(dāng)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(shè)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(yīng)該注意時鐘的質(zhì)量（使用專用時鐘網(wǎng)絡(luò)），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(fù)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(shè)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。