基于門控時(shí)鐘的低功耗時(shí)序電路設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所有計(jì)算機(jī)運(yùn)算（算法、邏輯和存儲(chǔ)進(jìn)程）都參考時(shí)鐘同步執(zhí)行，時(shí)鐘增加了設(shè)計(jì)中的時(shí)序電路數(shù)量。在這個(gè)電池供電設(shè)備大行其道的移動(dòng)時(shí)代，為了節(jié)省每一毫瓦（mW）的功耗，廠商間展開(kāi)了殘酷的競(jìng)爭(zhēng)，因此將電路分成多個(gè)電源域并根據(jù)要求關(guān)閉它們，并且在設(shè)計(jì)每個(gè)時(shí)序電路的同時(shí)節(jié)省功耗，這兩點(diǎn)至關(guān)重要。時(shí)序電路（如計(jì)數(shù)器和寄存器）在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中無(wú)處不在。本文以約翰遜計(jì)數(shù)器為例介紹了如何采用有效門控時(shí)鐘來(lái)設(shè)計(jì)高能效的時(shí)序電路。

約翰遜計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，可同步提供多種特殊類型的數(shù)據(jù)序列，這對(duì)于大多數(shù)重要應(yīng)用（如D/A轉(zhuǎn)換器、FSM和時(shí)鐘分頻器）來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。為支持不同頻率（從MHz到GHz）的模塊，越來(lái)越多的IP集成到片上系統(tǒng)，因此，設(shè)計(jì)中在不同層級(jí)實(shí)施了許多可支持多個(gè)分頻因子的時(shí)鐘分頻器。本文中，我們介紹了一款節(jié)能設(shè)計(jì)，即用帶有門控時(shí)鐘的多級(jí)可編程約翰遜計(jì)數(shù)器系統(tǒng)來(lái)取代多個(gè)時(shí)鐘分頻器，該計(jì)數(shù)器可提供8至任何偶數(shù)值（在本文中為38）的時(shí)鐘分頻因子。下面，我們將探討實(shí)施細(xì)節(jié)和該技術(shù)的優(yōu)劣。

典型時(shí)序電路

圖1給出的是一款傳統(tǒng)4位上升沿約翰遜計(jì)數(shù)器。約翰遜計(jì)數(shù)器只不過(guò)是修改過(guò)的移位寄存器，其最后一個(gè)D觸發(fā)器的反相輸出作為第一個(gè)D觸發(fā)器的輸入。所有其他觸發(fā)器將接收上一個(gè)觸發(fā)器所提供的輸出。

圖1 傳統(tǒng)約翰遜計(jì)數(shù)器

如表1所示，在所有的縱列中，4個(gè)連續(xù)的“0”后面都跟隨著4個(gè)連續(xù)的“1”，但所有縱列都位于不同的階段。約翰遜計(jì)數(shù)器可同步創(chuàng)建一個(gè)特定的數(shù)據(jù)模式。該數(shù)據(jù)模式在建模時(shí)非常有用，因?yàn)樗梢允褂萌魏纬轭^就可以產(chǎn)生一個(gè)有不同階段的時(shí)鐘樣式的模式。此外，從表中可以推導(dǎo)出，約翰遜計(jì)數(shù)器只使用了N個(gè)觸發(fā)器提供2N個(gè)狀態(tài)，因此，與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形計(jì)數(shù)器相比，約翰遜計(jì)數(shù)器僅需要一半數(shù)量的觸發(fā)器便可實(shí)現(xiàn)同樣的MOD.

表1 約翰遜計(jì)數(shù)器的狀態(tài)圖

典型時(shí)序電路的缺陷

如圖1所示，這種電路最大的缺點(diǎn)是不可配置，因此，不能改變時(shí)鐘分頻因子。一個(gè)N觸發(fā)器設(shè)計(jì)只能產(chǎn)生2N個(gè)周期的時(shí)鐘。需要預(yù)先將固定數(shù)量的觸發(fā)器加入到設(shè)計(jì)中，才能產(chǎn)生固定周期的時(shí)鐘。這大大阻礙了特定時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，而且多個(gè)這樣的設(shè)計(jì)，需要多種分頻因子來(lái)進(jìn)行分頻。

另外，該設(shè)計(jì)非常耗能，并且也沒(méi)有機(jī)制可通過(guò)高效門控時(shí)鐘來(lái)節(jié)省動(dòng)態(tài)功耗。如表1所示，Q3只能在時(shí)鐘脈沖2和時(shí)鐘脈沖6中改變其輸出，對(duì)于所有其他時(shí)鐘而言，觸發(fā)器一次又一次地存儲(chǔ)了相同的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致在時(shí)鐘周期內(nèi)產(chǎn)生了不必要的功耗，而采用適合的門控時(shí)鐘可解決該問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)和門控時(shí)鐘來(lái)增強(qiáng)電路

任何時(shí)序電路都可通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)和有效的門控時(shí)鐘加以增強(qiáng)。圖1中所示的約翰遜計(jì)數(shù)器在圖2種得到了增強(qiáng)，可以靈活地支持多種分頻因子，產(chǎn)生可變化的輸出頻率。

為了使其可編程，觸發(fā)器的多個(gè)延遲階段都加入了所需的組合邏輯，以根據(jù)所需分頻因子進(jìn)行選擇。

圖2顯示的就是一款低功耗可編程約翰遜計(jì)數(shù)器。該電路包括級(jí)聯(lián)延遲階段B1、B2、B3、B4、逆變器I、參考時(shí)鐘輸入CLK、門控時(shí)鐘邏輯CGL，以及控制邏輯（分頻器和減法器），可根據(jù)要求選擇觸發(fā)器組合。

圖2 低功耗可編程的約翰遜計(jì)數(shù)器

在圖2所示的修改后的約翰遜計(jì)數(shù)器電路中，我們采用了19個(gè)D觸發(fā)器，這些觸發(fā)器提供8至38以內(nèi)的偶數(shù)值的分頻因子。可通過(guò)添加額外的觸發(fā)器和多路復(fù)用器，使所需分頻因子進(jìn)一步增加至任何偶數(shù)值。多個(gè)路徑可將觸發(fā)器“a、j、o和r”的輸出連接至相應(yīng)的多路復(fù)用器輸入，例如，分流路徑將觸發(fā)器“a”的輸出連接至第一個(gè)多路復(fù)用器的第一個(gè)輸入，延遲路徑則將觸發(fā)器“a”的輸出[經(jīng)過(guò)一組觸發(fā)器（b、c、d、e、f、g、h、i）]連接至第一個(gè)多路復(fù)用器的第二個(gè)輸入。這種實(shí)施方案允許選擇多路復(fù)用器輸出，使電路具備所需的可配置性，可以支持多個(gè)分頻因子。

如圖3所示，為了節(jié)省功耗，控制電路輸出饋入CGL中，以根據(jù)所需分頻因子啟用或禁用“延遲路徑觸發(fā)器”的時(shí)鐘。當(dāng)分頻因子為2N時(shí)，需要N個(gè)觸發(fā)器提供所需的時(shí)鐘頻率。為了促進(jìn)多路復(fù)用器輸入的選擇，并為時(shí)鐘門控邏輯啟用所選的輸入，我們添加了一個(gè)主要由減法器構(gòu)成的控制邏輯。該減法器可根據(jù)用戶所提供的分頻因子，將N-4作為輸出提供，并且減法器（sel[3：0]）的二進(jìn)制輸出位數(shù)每個(gè)都可作為4個(gè)多路復(fù)用器（1st、2nd、3rd、4th）的相應(yīng)選擇線路，并使CGL以高效的方式對(duì)觸發(fā)器的時(shí)鐘進(jìn)行門控。

這有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的可編程化，并降低了計(jì)數(shù)器的動(dòng)態(tài)功耗。

圖3 電路運(yùn)算說(shuō)明圖

電路運(yùn)算

以分頻因子為10（即2N=10）的電路為例。由于傳統(tǒng)約翰遜計(jì)數(shù)器在分頻因子為2N時(shí)需要N個(gè)觸發(fā)器，要使分頻因子為10，電路中需要2N/2 = 10/2 = 5個(gè)觸發(fā)器。分頻器電路的輸出是2N/2 = 5，這時(shí)減法器的輸出則為（5-4）= 1，再饋入多路復(fù)用器的選擇線路，其二進(jìn)制表示為0001.這個(gè)4位sel[3：0]=0001信號(hào)極為重要，因?yàn)樗粌H控制著門控時(shí)鐘邏輯，還在分流和延遲路徑中做出選擇。

圖4 分頻因子為10的電路運(yùn)算

在這種情況下，只有Sel[0]會(huì)變?yōu)?并啟用s觸發(fā)器的時(shí)鐘，并且同樣地，sel[3]、sel[2]、sel[1]將相應(yīng)禁用（b、c、d、e、f、g、h、i）、（k， l， m， n）、（p、q）觸發(fā)器的時(shí)鐘，見(jiàn)圖4中突顯部分。另外需要注意的是，“a， j， o和r”觸發(fā)器將始終啟用。這樣一來(lái)，不僅啟用了所需的觸發(fā)器，并且該電路可在第4個(gè)多路復(fù)用器的輸出上獲得所需的輸出時(shí)鐘。因此，在這個(gè)示例中，共有5個(gè)觸發(fā)器接收到時(shí)鐘，其他觸發(fā)器的時(shí)鐘將自動(dòng)被禁用。

我們對(duì)上述計(jì)數(shù)器進(jìn)行了模擬，其結(jié)果以RTL波形的形式呈現(xiàn)在圖5中。根據(jù)圖5可以推出：修改后的計(jì)數(shù)器采用sel[3：0]作為4'h0001，將一個(gè)100 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，提供10 MHz的輸出。

圖5 分頻因子為10的波形

推薦的電路可實(shí)現(xiàn)各種組合，表2列出了多路復(fù)用器所選擇的輸入。

表2 不同分頻因子的多路復(fù)用器推薦方法的優(yōu)勢(shì)