门控时钟电路(Intergrated clock gating)

门控时钟

某些模块不需要工作的时候，为了降低功耗，需要关闭该模块的时钟，节省触发器的翻转功耗。采用门控时钟电路来控制时钟的关断。

本文大量引用了知乎门控时钟的图片和一些文字描述

简单的与门

最初的思路是采用一个使能信号en和一个与门来控制时钟的开关。

缺点

但是这样做会有很多缺点

如图所示

1. en信号不受控制，随时可能能发生信号跳变，未经过时钟同步，和clk信号直接相与极容易产生毛刺

2. 时钟clk为高电平时，en信号的毛刺会传播到时钟信号GCLK中

   解决思路，通过一个寄存器或触发器来同步en信号，且clk为高电平时，寄存器或触发器的输出不变化

二.采用锁存器同步en信号

  如图所示，锁存器的为低电平有效传输，当时钟clk为低点电平时，D端口上en信号的变化会传输到Q端口，即使此时有毛刺传输进来，clk低电平控制了与门的传输，毛刺无法通过与门到达GCLK信号，当时钟clk为高电平时，Q端口的值会锁存住，一直保持clk上升沿前一时刻输入D端口的值。波形如下图所示

毛刺

因为clk时钟达到触发器的en端口和与门的时间可能会不一样，有可能会产生毛刺

图5右上角图所示，clk先到达a点，后到达b点，并且clk skew大于锁存器的D->Q延时时间，会产生毛刺。避免产生毛刺，因该使得clk skew < D->Q delay

图5右下角图所示，clk先到达b点，后到达a点，且clk skew大于Setup — D->Qdelay，也会产生毛刺，避免毛刺，应该满足|clk_skew| < Setup — D->Qdelay。

三.寄存器同步en信号

同理也可以通过寄存器来同步en信号

与锁存器的对比

共同点

• 在clk为高电平时，输出端口的值为时钟上升沿前一刻的值并保持这个值。

不同：

• clk为低电平时，en信号的变化和毛刺，不会被寄存器采样到en端口
• clk为低电平时，en信号的变化和毛刺，会被锁存器采样到en端口 (但此时clk为低电平,en信号变化和毛刺无法通过与门)

波形图如下图所示

毛刺信号

实际电路中,由于寄存器存在的D->Q延时,当en信号的下降沿传输时,寄存器也会产生毛刺

如何避免毛刺信号呢?

• b点的clk skew(到达与门的时钟信号延迟) 高于D->Q的时钟延时

四 选用 寄存器 or 锁存器?

通常时采用锁存器,因为锁存器占用的面积更少,随然锁存器对clk的延时和锁存器的延时有一定的要求,当在综合室,IGC电路作为一个常用的模块,其内部的延时是固定的,能满足延时的要求.