一文详解门控时钟

门控时钟

当寄存器组的输出端没有驱动或没有变化时，可以关掉寄存器组的时钟来减少动态功耗，此谓门控时钟 (Clock Gating, CG) 技术。

最简单的一个带 EN 端的 D 触发器的 Verilog 逻辑描述如下：

always @(posedge CLK)
    if (EN)
        Q <= D ;

当不采用门控时钟结构时，DC 综合时会在触发器的输入端增加为带反馈端的多路选择器威廉希尔官方网站 ，如下图 (1) 所示。

当采用门控时钟结构时，DC 综合时仅会在触发器的时钟端增加一个时钟门控单元 (CG cell)，而没有多路选择器结构，如下图 (2) 所示。

当多个寄存器组共用一个控制端时，结构上的优化尤为明显，如下图所示:

综上所述，门控时钟的优点有：

(1) 寄存器时钟端翻转率降低，动态功耗降低。

(2) 时钟树网络开关率降低，动态功耗降低。

(3) CG 扇出越大，结构上节省的选择器越多，硬件资源消耗越少。

(4) 相比于 PG (Power Gating)，CG 结构相对简单，在综合时可自动插入。

产生门控时钟

产生门控时钟的条件为：

寄存器组共用同一个时钟；

寄存器组的控制端都是同步的；

寄存器组都是由同一个变量中推断而来的。

自动插入 CG

DC 综合时，使用以下命令与参数，设计中符合要求的寄存器便会被综合成带 CG 结构的触发器。

compile_ultra -gate_clk

DC 综合时插入的 CG 又分为离散的 CG cell 与集成的 CG cell (ICG)。离散的 CG cell 使用 Latch 与基本逻辑门单元组合而成，集成的 CG cell 是工艺厂家提供的一个带有时钟门控功能的特殊单元。

DC 中插入离散的 CG 命令为：

# 使用带 latch 结构的离散的 CG
set_clock_gating_style -sequential_cell latch
# 离散的 CG 中指定具体的 latch cell "lib_cell"
set_clock_gating_style -sequential_cell latch:lib_cell

DC 中插入没有 Latch 结构的离散 CG 时，命令如下：

# 使用或门逻辑，生成上升沿工作的寄存器的时钟门控
set_clock_gating_style -sequential_cell none -pos {or}

因为使用与门生成 CG 时在时钟上升沿容易出现毛刺，使用或门生成 CG 时在时钟下降沿容易出现毛刺，所以参数 -pos 一般配合 {or} 使用，-neg 一般配合 {and} 使用。

# 使用与门逻辑，生成下升沿工作的寄存器的时钟门控
set_clock_gating_style -sequential_cell none -neg {and}

假如 -sequential_cell 与 -pos/-neg 选项同时使用，那么两个选项指定的 CG 威廉希尔官方网站 结构应该保持一致，例如：

set_clock_gating_style -sequential_cell latch -neg {latch and}
set_clock_gating_style -sequential_cell none -neg {and}

DC 中插入 ICG 时，命令如下：

# 使用集成的 CG cell
set_clock_gating_style -negative_edge_logic {integrated}
# 指定使用具体的集成 CG cell "lib_cell"
set_clock_gating_style -negative_edge_logic {integrated:lib_cell}

手动插入 CG

如果设置了自动产生时钟门控（-gate_clk），DC 综合时会对 RTL 设计中符合要求的寄存器进行时钟门控。但如果在 RTL 设计中，人为的编写时钟门控逻辑，DC 对此不会插入 CG ，如以下 Verilog 描述。

assign gated_clk = clk & en ;
always @(posedge gated_clk or negedge rstn) begin
    if (!rstn)
        data_out <= 8'b0 ;
    else 
        data_out <= data_out + 1'b1;
end

人为编写的时钟门控逻辑中，时钟很容易出现毛刺，增加了设计的不稳定性。

为了消除人为编写时钟门控逻辑带来的隐患，DC 中需要使用以下命令对手动编写的 CG 进行识别与替换。

replace_clock_gates

此命令实现的优化结果示意图如下：

禁止使用 CG

由于面积、时序等原因，需要禁止使用 lib 中的某一种 CG cell 时，可以使用以下命令：

#禁止使用指定的 CG cell："lib_cell"，
set_dont_use -power {lib_cell}

其中，-power 选项不可或缺，否则 ICG cell 的 dont_use 属性会被忽略。

门控时钟报告

可以使用以下命令，查看时钟门控单元的插入情况，以便确认是否需要对威廉希尔官方网站 进行修改。

report_clock_gating

但是如果 RTL 设计中，存在人为例化的 CG cell，命令 report_clock_gating 是不能识别的，需要设置以下命令：

set power_cg_auto_identify true