电源门控概述、原理、设计流程

前面讲解了门级功耗的优化方法，包括静动态和总体的功耗。现在来记录一下门级层次（有点书也说是在系统级）常用的一种低功耗方法——电源门控。

①电源门控概述与原理

电源门控是指芯片中某个区域的供电电源被关掉，即该区域内的逻辑电路的供电电源断开。电源门控(Power Gating)的设计如下图所示：

如果某一模块在一段时间内不工作，可以关掉它的供电电源（关掉供电电源可以使用MTCMOS开关，通常在使用后端工具进行布局布线时加入MTCMOS，这属于后端知识，这里不进行介绍）。断电后，设计进入睡眠模式，其漏电功率很小。唤醒时，为了使模块尽快恢复工作模式，需要保持关电前的状态。保持寄存器(retention register)可用于记忆状态。使用保持寄存器设计电源门控如下图所示：

下面来解释一下上面的设计：

·在睡眠模式，寄存器的电源Vdd2被切断，因此它的漏电功耗极小;这时候仅仅保持锁存器处于工作状态，寄存器的值保留在锁存器里。由于锁存器是用高阈值电压的晶体管组成，漏电功耗很低。

·当Restore信号被激活时，寄存器的电源Vdd2被加上，保留在锁存器里的值被载入到寄存器。寄存器在工作(活跃)状态时，它作为一般的寄存器工作。Save/Restore引脚也称为电源门控引脚(power gating pins)，它们被用于把电路置于适当的模式。

·电源门控模块的输出端需要使用隔离单元(Isolation Cell)（我们在前面讲过），因为在睡眠模式时，模块的输出为不确定值。为了保证在睡眠模式时，下一级的输入不会悬空，插入隔离单元，提供一个"1”或”0”的输出，使下一级的输入为确定的逻辑值，如下所示：

ISO为睡眠控制信号，用于控制隔离单元的运作。电路在正常工作模式时，ISO=0,ISO_ IN=IN。电路在睡眠模式时，ISO=1时，如果使用下面左图的单元作为隔离单元，输出逻辑为“1"；如使用下面右图的单元作为隔离单元，则输出逻辑为“0"：

②工艺库中的电源门控单元

进行电源门控设计，需要用综合库的支持。综合库中的电源门控单元的库模型如下所示：

下面是库模型的部分解释：

·单元级属性(Cell level attribute)

power_gating_cell:"type"，"type”不可以是“none”或空字符，它鉴别所描述的保持寄存器的类型。本例中保持寄存器的类型为PG_1。

·电源门控寄存器的功能描述

它是保持寄存器在活跃模式的功能。

·引脚级的属性(Pin level attribute)

power_pin_1~ power_pin_5列出了现有的电源门控信号的名字。例如，power_pin_1可以用于定义为睡眠(sleep)信号，power_pin_2可以用于定义叫醒(wake)信号。power_pin_[1-5]信号的默认值是寄存器处于非工作(disable)状况的值，可以是“0”或“1"。例如，如果当power_pin_1的逻辑值为“1”时，电路进入睡眠模式，那么，其非工作(disable)状况的值应该是逻辑“0”。

③电源门控设计流程

了解了电源门控的原理和综合库的电源门控单元，下面我们就来介绍电源门控的设计流程。使用电源门控的设计流程和相应的脚本如下所示：

下面进行解释一下部分命令：

·脚本中使用set_power_gating_style命令来映射保持寄存器。例如对于下面的代码

······

always@ (posedge clk) begin:sub_block_1

g=d;

end

······

set_power_gating -style -type PG_1 -hdl_block sub_block_1命令可以把代码中的寄存器映射为保持寄存器。选项“-type PG_1”指定使用库中类型为PG_1的保持寄存器。选项“-hdl_block sub_block_1”指定把RTL代码中进程(process)名为“sub_block_1"中的所有寄存器用类型为PCG_ 1的保持寄存器代替。

· 脚本中使用hookup_power_gating_ports命令来自动插入power_pin[1-5]端口和层次模块的引脚。同类功耗引脚的端口或引脚会被连接在一起。例如属性同为“power_pin_1”的引脚将被连接在一起，其默认名为“power_pin_1"。下图为执行hookup_power_gating_ports命令后设计中插入端口和层次模块的引脚。我们可以使用选项“-default_port_naming_style”和“-port_naming_styles”来改变端口和/或层次模块引脚的命名：

下面的脚本用set_power_gating_signal命令指定把电源门控引脚与现有的端口或层次引脚连接起来，如下所示：

set_power_gating_signal -power_pin_index 1 [get_ports Save]

set_power_gating_signal -power_pin_index 2 [get_pins A/p1]

······

hookup_power_gating_ports

结果如下所示：

·最后，我们可以用report_power_gating命令报告设计中的电源门控单元，如下所示：

电源门控就到这里了，低功耗设计入门也快接近尾声了...