寄存器阵列低功耗设计方案

芯片通常会用到一个寄存器阵列。用户通过SPI, I2C之类的接口对寄存器进行读写操作，实现各个模块的配置，状态查询等等。

如果不考虑功耗，CTS时工具会插入一个类似下面这样结构的clock tree。不妨做个简单估算。

假设寄存器阵列有128个8-bit寄存器。每个8-bit寄存器由8个DFF组成。总共1024个DFF。

假设每8个DFF工具插入一个CTB。128个8-bit寄存器就需要插入128个CTB。

假设每8个CTB又需要插入一个CTB来驱动。前一步插入的128个CTB需要再插入16个CTB驱动。

这16个CTB又需要再插入两个CTB来驱动。

总共需要插入128+16+2=146个CTB。

假设接口为SPI，读写protocol是1位RW，7位地址，8位数据。每次读写都是16个SPI clock。假设SPI clock直接用做寄存器阵列时钟（通常有片子里有OSC，需要SPI clock domain到OSC clock domain transfer。那是另一个技巧了。这里就不展开了）。如果不插入ICG，每次读写时1024个DFF + 146个CTB都switch 16个SPI clock，那可是不小的功耗，尤其是频繁读写的场景。

上述这种实现方法比较“蠢”。我们知道，每次读写只能对一个寄存器进行操作，没必要所有的寄存器都给时钟。基于这个朴素的想法，我们可以利用工具降低功耗。

寄存器阵列的结构有规律。综合工具可以根据地址解码插入ICG。假设插入的ICG驱动能力足够，整个寄存器的clock tree会变成类似下面这样的结构。

对寄存器阵列进行操作时，只有地址符合的寄存器ICG才会被打开，该寄存器的DFF才会得到时钟。而其他地址不符合的寄存器ICG关闭，没有时钟，也就没有switching power。这样一来，每次写操作实际只有一个寄存器会switching，大大减少了switching power。美中不足的是，对任何寄存器操作时ICG前面的CTB都会有时钟，这部分clock tree仍消耗switching power。

寄存器写操作的时候会改变寄存器内容，需要时钟锁入新的数据。但是，对寄存器进行读操作的时候，寄存器内容不改变，寄存器不需要时钟。这个特点工具是不知道的，但是designer可以利用起来。一个很自然的想法就是只在寄存器写操作放clock进来。

其次，虽然每个SPI写操作需要16个SPI clock。但是实际上寄存器阵列只需要在地址，数据都收到后给一个写时钟脉冲就可以了，不需要多个时钟反复写几次。

基于上面这两个想法，我们可以在寄存器阵列的时钟入口处加一个ICG。这个ICG只在写操作的时候打开，且只在地址数据都收到后打开一个时钟周期，放一个时钟脉冲过去。这样整个clock tree的switching power就大大降低了。

寄存器阵列时钟入口处的ICG要在RTL里加。

写RTL的时候就考虑功耗并手动插入ICG是实现低功耗的最有效手段。再加上工具辅助优化一下，就很完美了。

审核编辑：黄飞