门控时钟检查（clock gating check）的理解和设计应用

门控时钟的分类

通过门控方式不同，一个门控时钟通常可以分为下面基类，

高有效（Active High）门控时钟

通常使用与门（and）或者与非门（nand）实现，

当使能信号为高的时候，时钟才可以被释放出去. 如果是nand，则输出的时钟是一个反向时钟的波形

低有效（Active High）门控时钟

通常使用与门（and）或者与非门（nand）实现，

当使能信号为低的时候，时钟才可以被释放出去. 如果是nor，则输出的时钟是一个反向时钟的波形

除过上述的情况，有时候也会使用复杂一些的clock gating结构，这里的波形就会复杂一些

XOR结构的门控时钟

当enable信号为1的时候，输出是输入的反向，反之则是正向

MUX结构的门控时钟

时钟传播单调性（unate）

静态时序分析的基本原理是信号传播，对于拥有明确单调性的传播是构建正确STA环境的基础，数据通路对单调性（unate）通常不敏感，但是时钟通常是边沿敏感信号，所以时钟网络的单调性在STA时序分析的形态中尤为重要。STA工具也只有在单调性明确的时钟网络上做正确的时序分析，否则大概率会在实际芯片里边出现和STA不一致的情况。这点对于时钟网络的设计非常重要。

通过上述几种门控始终结构，从单调时钟的（unate）的角度来看，可以总结为下表

gating结构

所以，对于所有在时钟网络上的门控时钟，用户都需要明确其单调性，以便STA进行正确的分析。

门控时钟的的检查（clock gating check）

通过上述描述，可以看到始终网络对于静态时序分析的重要性，所以在门控时钟在时钟网络的传播路径上的检查尤为重要。同样，基于clock gating的结构，对于active high，active low的门控时钟，通过STA工具。可以自动推断（infer）出相应的门控时钟检查（clock gating check），用户可以理解，这里的clock gating结构被STA所覆盖。所以用户在需要理解STA自动推断的原理，从而确保自己的时钟路径被STA覆盖

定义

工具判断门控时钟的基本标准如下

• 输入的时钟到输出必须存在一个组合逻辑的传播路径。常规的与或非，或者常规的latch based 的clock gating结构（见下图），但是register的分频结构，就不是一个clock gating。

• 输入的端口必须包含clock，但是输入到输出的传播必须包含数据路径（gated 信号）。

  示例1： 组合逻辑的输入都是clock，STA会自动将时钟传播到输出，这样输出的会看到四个clock，这样的结构是无法判定为clock gating结构的，需要用户在使用的时候，当clock1有效的时候，clock2/3/4需要维持一个常1，否则输出的clock会出现混乱
  
  示例2： 输入都是clock，但是用户使用下列命令在输出创建了一个gen-clock

  create_generated_clock -name clock1_gen_clk -divide_by 1 \\
  -source clock1 [get_pins U1/Z]
  

由于这个AND只有clock1传播过去，STA会自动推断出这是一个clock gating结构，clock1到clock2的gating 检查，clock2信号就是一个门控信号（enable）

示例3 ：对于一个复杂的门控时钟无法自动推断

这里的UMUX0满足clock gating的结构

但是由于MUX结构是一个非单调性传播（none-unate），这样一个clock gating结构是无法自动推断（auto-infer）出来的，所以在clock 传播路径上存在风险，这样工具会给出如下的提示。需要用户进一步处理

挑战

门控时钟是在clock的传播路径插入了与或非逻辑，设计人员通过一定的逻辑控制达到对时钟的操作：

• 时钟分频：使用低频门控信号与高频时钟和做AND操作： clock_slow = clock_fast * slow_enable

• 时钟开合：使用半静态信号（近乎于始终关断控制）: block_clock = sys_clock * block_enable

• 时钟选择：使用半静态信号（近乎于模式控制）: clock_out =（sel==1'b0）？func_clock : scan_clock

  或者使用latch/reg结构，设计一个防抖的时钟切换，但是无论门控信号的产生有多么复杂，只要符合门控适中的结构，最后的clock gating check的点位是不会发生变化的，只是一个好的时钟生成（clock-gen）的设计，可以对STA更友好的，推进项目质量和加速项目收敛，这也是一个有经验的设计工程师的基本修为。

  时钟是周期的变化，如果和一个门控逻辑进行组合逻辑运算，通常会出现时钟波形传播的问题（clock crop 或者clock swallow）：
  

在不同阶段出现的enable信号，会导致clock的波形发生畸变

注意：在STA的timing report中，用户是不会看到上述问题的影响的的，但是在实际芯片中，这种影响是真实发生的。 所以，clock-gating的逻辑，必须被clock-gating-check所覆盖，并且需要谨慎地进行彻底修复，对于工具不能自动推断出来的clock-gating点，需要用户重点关注和给出解决方案，否则在最后的芯片中会出现和STA完全不一致（无法通过STA定位）的时序问题。

未完待续… (To Be continued …)

这样处理以后，LVS的std-cell的port mismatch也就完美解决了，

学好v2lvs，再也不用perl去patch source netlist了~~~~

【敲黑板划重点】

理解门控时钟检查（clock-gating-check）和理解门控时钟（clock-gating）同等重要，任何在clock tree上做的动作都需要额外的小心。