門控時鐘的設(shè)計(jì)初衷是實(shí)現(xiàn)FPGA的低功耗設(shè)計(jì),，本文從什么是門控時鐘,、門控時鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的原理、推薦的FPGA門控時鐘實(shí)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(jìn)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(jì)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(qiáng)）,。可以在FPGA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(fù)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(biāo)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(jì)
1.偽門控時鐘
如下圖所示，設(shè)計(jì)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?yàn)榇嬖诜答伝芈吩诓粩嗟倪M(jìn)行使能判斷,、輸出、使能判斷,、輸出的循環(huán),。實(shí)則并沒有起到低功耗的作用。
當(dāng)然某些情況下確實(shí)需要用到這種設(shè)計(jì),，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(jì)
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(shí)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?yàn)榇藭r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(shí)際上更適合在ASIC中實(shí)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(shí)現(xiàn),，不經(jīng)濟(jì),；另一方面，鎖存器本身的特性沒法進(jìn)行靜態(tài)時序分析,，出問題了不易排查,。
真正適合在FPGA中實(shí)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(jì)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(dá)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(jì),。
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,，確保可以滿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,。