什么是自动时钟门控结构呢？关于自动时钟门控的解析

每次作为面试官问一些RTL功耗优化的问题时候，都会希望听到一个答案：优化了RTL的clk-gating比例。

相传在很多年前，时序逻辑中是不存在自动时钟门控（clk-gating）的。那个时候我还小没赶上，如果我们回家问问家大人的话，他们会告诉我们那时候流行的D触发器综合应该是这样的：

这种结构呢在没有使能的情况下，触发器的D端是不会有信号跳变的，能够有限的降低一些功耗。不过大家也清楚寄存器的动态功耗主要来源于时钟的跳变，因此这种综合结果下时钟信号保持翻转，触发器的内部电路也大多保持活跃，于是后面进一步的出现了自动时钟门控结构。

什么是自动时钟门控结构呢？就是通过工具自动的插入一些结构，能够在数据不跳变的时间里，关断寄存器的时钟输入。那么如果来做一个最简单的门控结构，那必然就是如此了：

当使能为低时，D触发器的时钟被关断，没有时钟跳变自然寄存器也不会翻转，因此Q端也不需要连线回接到D端来实现数据保持。不过这样的结构存在一个明显的问题，en信号显然是逻辑电路生成的，虽然其必然满足建立时间和保持时间要求，但是当en信号维持时间过短时，时钟会被过早的关断：

以及en的逻辑跳变引起的时钟脉冲和毛刺：

因此呢就出现一个需求，作用在clk上的en信号必须要能在时钟上升沿到时钟下降沿这个区间保持为一个常量，所以进一步的我们引入一个锁存结构：

clk信号作为锁存器的控制端，en信号为被锁存信号，当clk为1时锁存en信号，clk为0时透传en信号，对应的波形如下：

通过锁存器的锁存功能，en信号只要在上升沿前保持稳定，即可保证产生完整的时钟脉冲，这个结构就已经基本满足我们的需求了。此外，大部分的厂商会在标准单元库中提供“时钟门控单元”，比上面的结构会多一个test_se信号，在扫描测试时候使用，因此一个完成的gating结构大体是这样的：

而最终一个插入了自动时钟门控的D触发器的门电路结构图也就完成了：

那么完成了clk-gating结构后我们需要分析一下，clk-gating的收益是什么呢？功耗收益，能够在EN端不使能时关断时钟降低寄存器的动态功耗。那么对应的额外消耗支出有哪些呢？

1.面积增加，与门、或门和latch都是会增加面积的，因此工具不会无脑的插入gating，一般只有在EN控制的寄存器超过4bit时才会插入，这个值是可以设置的；

2.EN路径的时序更加紧张，为了保证时钟及时被开启，EN端必须更早的实现时序收敛（或者理解为EN路径是相对clk的，D路径是相对gating clk的）。关于这一点综合完的clk timing.rpt和clk gating timing.rpt对比下就会发现gating的timing路径中一般会减去一个时间比如-100ps；

最后再解答还是经常在面试里问的问题：为什么时序逻辑里不写else工具才能自动插入时钟门控呢？

通过观察结构就可以发现，时钟门控的结果就是当EN不使能时Q端数据不发生改变，如果else分支里有赋值，那么天然就不满足这个条件了，因此工具无法插入时钟门控。

当然本篇所述是在触发器级的自动时钟门控，而整体看门控时钟可以处于整个时钟树的任何节点，越靠近根部的门控时钟对于降低功耗的作用越明显。原因显而易见，整个电路结构的功耗整体由三部分组成：组合逻辑产生的功耗+触发器产生的功耗+时钟树功耗；靠近根部的门控结构不仅降低了大量触发器的功耗，同时降低了区域的时钟树功耗（时钟树功耗几乎占到了芯片功耗的50%）。