芯片通常會(huì)用到一個(gè)寄存器陣列。用戶通過(guò)SPI, I2C之類的接口對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的配置，狀態(tài)查詢等等。

如果不考慮功耗，CTS時(shí)工具會(huì)插入一個(gè)類似下面這樣結(jié)構(gòu)的clock tree。不妨做個(gè)簡(jiǎn)單估算。

假設(shè)寄存器陣列有128個(gè)8-bit寄存器。每個(gè)8-bit寄存器由8個(gè)DFF組成。總共1024個(gè)DFF。

假設(shè)每8個(gè)DFF工具插入一個(gè)CTB。128個(gè)8-bit寄存器就需要插入128個(gè)CTB。

假設(shè)每8個(gè)CTB又需要插入一個(gè)CTB來(lái)驅(qū)動(dòng)。前一步插入的128個(gè)CTB需要再插入16個(gè)CTB驅(qū)動(dòng)。

這16個(gè)CTB又需要再插入兩個(gè)CTB來(lái)驅(qū)動(dòng)。

總共需要插入128+16+2=146個(gè)CTB。

假設(shè)接口為SPI，讀寫(xiě)protocol是1位RW，7位地址，8位數(shù)據(jù)。每次讀寫(xiě)都是16個(gè)SPI clock。假設(shè)SPI clock直接用做寄存器陣列時(shí)鐘（通常有片子里有OSC，需要SPI clock domain到OSC clock domain transfer。那是另一個(gè)技巧了。這里就不展開(kāi)了）。如果不插入ICG，每次讀寫(xiě)時(shí)1024個(gè)DFF + 146個(gè)CTB都switch 16個(gè)SPI clock，那可是不小的功耗，尤其是頻繁讀寫(xiě)的場(chǎng)景。

上述這種實(shí)現(xiàn)方法比較“蠢”。我們知道，每次讀寫(xiě)只能對(duì)一個(gè)寄存器進(jìn)行操作，沒(méi)必要所有的寄存器都給時(shí)鐘。基于這個(gè)樸素的想法，我們可以利用工具降低功耗。

寄存器陣列的結(jié)構(gòu)有規(guī)律。綜合工具可以根據(jù)地址解碼插入ICG。假設(shè)插入的ICG驅(qū)動(dòng)能力足夠，整個(gè)寄存器的clock tree會(huì)變成類似下面這樣的結(jié)構(gòu)。

對(duì)寄存器陣列進(jìn)行操作時(shí)，只有地址符合的寄存器ICG才會(huì)被打開(kāi)，該寄存器的DFF才會(huì)得到時(shí)鐘。而其他地址不符合的寄存器ICG關(guān)閉，沒(méi)有時(shí)鐘，也就沒(méi)有switching power。這樣一來(lái)，每次寫(xiě)操作實(shí)際只有一個(gè)寄存器會(huì)switching，大大減少了switching power。美中不足的是，對(duì)任何寄存器操作時(shí)ICG前面的CTB都會(huì)有時(shí)鐘，這部分clock tree仍消耗switching power。

寄存器寫(xiě)操作的時(shí)候會(huì)改變寄存器內(nèi)容，需要時(shí)鐘鎖入新的數(shù)據(jù)。但是，對(duì)寄存器進(jìn)行讀操作的時(shí)候，寄存器內(nèi)容不改變，寄存器不需要時(shí)鐘。這個(gè)特點(diǎn)工具是不知道的，但是designer可以利用起來(lái)。一個(gè)很自然的想法就是只在寄存器寫(xiě)操作放clock進(jìn)來(lái)。

其次，雖然每個(gè)SPI寫(xiě)操作需要16個(gè)SPI clock。但是實(shí)際上寄存器陣列只需要在地址，數(shù)據(jù)都收到后給一個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘脈沖就可以了，不需要多個(gè)時(shí)鐘反復(fù)寫(xiě)幾次。

基于上面這兩個(gè)想法，我們可以在寄存器陣列的時(shí)鐘入口處加一個(gè)ICG。這個(gè)ICG只在寫(xiě)操作的時(shí)候打開(kāi)，且只在地址數(shù)據(jù)都收到后打開(kāi)一個(gè)時(shí)鐘周期，放一個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)去。這樣整個(gè)clock tree的switching power就大大降低了。

寄存器陣列時(shí)鐘入口處的ICG要在RTL里加。

寫(xiě)RTL的時(shí)候就考慮功耗并手動(dòng)插入ICG是實(shí)現(xiàn)低功耗的最有效手段。再加上工具輔助優(yōu)化一下，就很完美了。

審核編輯：黃飛