IC设计：clock-gating综合实现方案

1、Clock-gating 说明

在ASIC设计中，项目会期望设计将代码写成clk-gating风格，以便于DC综合时将寄存器综合成clk-gating结构，其目的是为了降低翻转功耗。因为当控制信号（vld_in)无效时，使用了clk-gating后的寄存器，其CK（clk）端口一直为0，因此不存在翻转，能够有效降低寄存器的翻转功耗和对应的时钟树的翻转功耗。如下所示：下图左侧是DC综合后的clk -gating结构图，使用了ICG模块进行时钟gating，被gating后的时钟连接到寄存器的CK端。右侧是没有被clk-gating的寄存器结构图。

2、Clock-gating 编码风格    

如下图所示，case1和case3 为gating style风格。DC综合时更容易产生clk gating。NOTE: 这里说的是更容易，而不是一定。综合工具会根据同一组（同一个vld控制的）的寄存器bit位数量进行决策，如果数量过少，则不进行clk gating，因为使用ICG模块本身就存在面积和功耗的增加。

案例1中，data为3bit，则没有产生clk gating。

案例2中，data为7bit，data1_out和data3_out均产生了产生clk gati

3、data位宽3bit 

3.1 RTL代码

module try_top (


    input                                               clk                                    ,   //
    input                                               rst_n                                  ,   //
    input                                               vld_in                                 ,   //
    input               [3-1:0]                        data_in                                ,   //


    output  reg                                         vld_out                                ,   //
    output  reg         [3-1:0]                        data3_out                               ,   //
    output  reg         [3-1:0]                        data1_out                               ,   //
    output  reg         [3-1:0]                        data2_out                                   //


);


always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        vld_out                          <=              1'b0                                    ;   
    end
    else begin
        vld_out                          <=              vld_in                                  ;   
    end


always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data1_out                          <=              'b0                                    ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data1_out                          <=              data_in                               ;   
    end
    
always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data2_out                          <=              'b0                                    ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data2_out                          <=              data_in                               ;   
    end else begin
        data2_out                          <=              'b0                                    ;   
    end


always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data3_out                          <=              'b0                                   ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data3_out                          <=              data_in                               ;   
    end else begin
        data3_out                          <=              data3_out                             ;   
    end
        
    endmodule

3.2 网表文件--没有产生clk-gating 

module try_top ( clk, rst_n, vld_in, data_in, vld_out, data3_out, data1_out, 
        data2_out );
  input [2:0] data_in;
  output [2:0] data3_out;
  output [2:0] data1_out;
  output [2:0] data2_out;
  input clk, rst_n, vld_in;
  output vld_out;
  wire   n6, n8, n10, n12, n14, n16, n18, n20, n22, n24, n26;


  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_0_ ( .D(n6), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data2_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* vld_out_reg ( .D(vld_in), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(vld_out) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_2_ ( .D(n22), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data1_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_1_ ( .D(n20), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data1_out[1]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_0_ ( .D(n18), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data1_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_2_ ( .D(n16), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data3_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_1_ ( .D(n14), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data3_out[1]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_0_ ( .D(n12), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data3_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_2_ ( .D(n10), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data2_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_1_ ( .D(n8), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n24), .Q(data2_out[1]) );
  INVP_*CELL_TYPE* U18 ( .A(rst_n), .Y(n24) );
  AND2_*CELL_TYPE* U19 ( .A(data_in[1]), .B(vld_in), .Y(n8) );
  AND2_*CELL_TYPE* U20 ( .A(data_in[2]), .B(vld_in), .Y(n10) );
  AND2_*CELL_TYPE* U21 ( .A(data_in[0]), .B(vld_in), .Y(n6) );
  INVP_*CELL_TYPE* U22 ( .A(vld_in), .Y(n26) );
  AO21_*CELL_TYPE* U23 ( .A0(data3_out[1]), .A1(n26), .B0(n8), .Y(n14) );
  AO21_*CELL_TYPE* U24 ( .A0(data3_out[0]), .A1(n26), .B0(n6), .Y(n12) );
  AO21_*CELL_TYPE* U25 ( .A0(data1_out[0]), .A1(n26), .B0(n6), .Y(n18) );
  AO21_*CELL_TYPE* U26 ( .A0(data1_out[1]), .A1(n26), .B0(n8), .Y(n20) );
  AO21_*CELL_TYPE* U27 ( .A0(data3_out[2]), .A1(n26), .B0(n10), .Y(n16)
         );
  AO21_*CELL_TYPE* U28 ( .A0(data1_out[2]), .A1(n26), .B0(n10), .Y(n22)
         );
endmodule

4、data位宽7bit     

4.1 RTL代码

module try_top (


    input                                               clk                                    ,   //
    input                                               rst_n                                  ,   //
    input                                               vld_in                                 ,   //
    input               [7-1:0]                        data_in                                ,   //


    output  reg                                         vld_out                                ,   //
    output  reg         [7-1:0]                        data3_out                               ,   //
    output  reg         [7-1:0]                        data1_out                               ,   //
    output  reg         [7-1:0]                        data2_out                                   //
);




always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        vld_out                          <=              1'b0                                    ;   
    end
    else begin
        vld_out                          <=              vld_in                                  ;   
    end




always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data1_out                          <=              'b0                                    ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data1_out                          <=              data_in                               ;   
    end
    
    
always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data2_out                          <=              'b0                                    ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data2_out                          <=              data_in                               ;   
    end else begin
        data2_out                          <=              'b0                                    ;   
    end




always@(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n) begin
        data3_out                          <=              'b0                                   ;   
    end
    else if(vld_in) begin
        data3_out                          <=              data_in                               ;   
    end else begin
        data3_out                          <=              data3_out                             ;   
    end
    
    
    endmodule

 

 

4.2.网表文件--产生了clk-gating

module try_top ( clk, rst_n, vld_in, data_in, vld_out, data3_out, data1_out, 
        data2_out );
  input [6:0] data_in;
  output [6:0] data3_out;
  output [6:0] data1_out;
  output [6:0] data2_out;
  input clk, rst_n, vld_in;
  output vld_out;
  wire   clk_gclk_0, n3, n5, n7, n9, n11, n13, n15, n31;


  SNPS_CLOCK_GATE_HIGH_try_top inferred_cg_0 ( .CLK(clk), .EN(vld_in), .ENCLK(
        clk_gclk_0), .TE(1'b0) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_0_ ( .D(data_in[0]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_0_ ( .D(n3), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* vld_out_reg ( .D(vld_in), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(vld_out) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_6_ ( .D(data_in[6]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[6]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_5_ ( .D(data_in[5]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[5]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_4_ ( .D(data_in[4]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[4]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_3_ ( .D(data_in[3]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[3]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_2_ ( .D(data_in[2]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_1_ ( .D(data_in[1]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[1]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data1_out_reg_0_ ( .D(data_in[0]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data1_out[0]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_6_ ( .D(data_in[6]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[6]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_5_ ( .D(data_in[5]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[5]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_4_ ( .D(data_in[4]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[4]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_3_ ( .D(data_in[3]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[3]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_2_ ( .D(data_in[2]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data3_out_reg_1_ ( .D(data_in[1]), .SI(1'b0), .SE(
        1'b0), .CK(clk_gclk_0), .R(n31), .Q(data3_out[1]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_6_ ( .D(n15), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[6]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_5_ ( .D(n13), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[5]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_4_ ( .D(n11), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[4]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_3_ ( .D(n9), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[3]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_2_ ( .D(n7), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[2]) );
  SDFFRPQL_*CELL_TYPE* data2_out_reg_1_ ( .D(n5), .SI(1'b0), .SE(1'b0), 
        .CK(clk), .R(n31), .Q(data2_out[1]) );
  INVP_*CELL_TYPE* U13 ( .A(rst_n), .Y(n31) );
  AND2_*CELL_TYPE* U14 ( .A(vld_in), .B(data_in[6]), .Y(n15) );
  AND2_*CELL_TYPE* U15 ( .A(vld_in), .B(data_in[5]), .Y(n13) );
  AND2_*CELL_TYPE* U16 ( .A(vld_in), .B(data_in[4]), .Y(n11) );
  AND2_*CELL_TYPE* U17 ( .A(vld_in), .B(data_in[3]), .Y(n9) );
  AND2_*CELL_TYPE* U18 ( .A(vld_in), .B(data_in[2]), .Y(n7) );
  AND2_*CELL_TYPE* U19 ( .A(vld_in), .B(data_in[1]), .Y(n5) );
  AND2_*CELL_TYPE* U20 ( .A(vld_in), .B(data_in[0]), .Y(n3) );
endmodule




module SNPS_CLOCK_GATE_HIGH_try_top ( CLK, EN, ENCLK, TE );
  input CLK, EN, TE;
  output ENCLK;


  PREICG_*CELL_TYPE* latch ( .CK(CLK), .E(EN), .SE(TE), .ECK(ENCLK) );
endmodule

5、ICG模块说明

ICG（integrated latch clock gate）就是一个gating时钟的模块，通过使能信号能够关闭时钟。常用场景：低功耗状态下，关闭部分时钟源；无毛刺时钟动态切换等。     如图所示为一款ICG电路结构图，输入时钟为CK，输出时钟为ECK，E为使能信号，E为0表示关闭时钟，ECK输出为0。

结合波形图和电路结构图，可以看到：     当CK为0时，ECK 恒定为0， q值为E：如果E为1，则q为1，如果E为0，则q为0。     当CK为1时，ECK 恒定为q(n)，即对应的上一次CK为0时，锁存的E值。 因此最终的效果就是，只要E配置成了0，那么ECK会在CK的下降沿跳变成0，随后只要E保持为0，那么ECK一直为0。 当E从0跳变成1时，ECK会在CK的下一个上升沿跳变成1.

 

 

NOTE: 建议先将E输入信号同步到CK时钟域，这样E的跳变会发生在CK上升沿附近，因此在CK处于低电平时，E已稳定，有足够的时间驱动q值，使q达到标准电压阈值，而不是介于0/1之间的电压，从而保证了ECK的驱动能力。                    

编辑：黄飞