專利名稱：具有通常透明的管道級(jí)的同步管道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及同步集成電路，更具體而言，涉及降低同步管道電路中的功耗。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)與芯片制造的發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致芯片上時(shí)鐘頻率、單個(gè)芯片上晶體管的個(gè)數(shù)及電路小片(die)大小本身的穩(wěn)定提高，以及芯片電源電壓的相應(yīng)減小?？偟貋?lái)說(shuō)，給定的定時(shí)單元(例如，鎖存器、寄存器、寄存器文件、功能單元等)所消耗的功率隨單元內(nèi)的切換頻率線性增加。因此，經(jīng)不起芯片電源電壓的減小，芯片功耗也會(huì)增加。
作為這種芯片功率增加很自然的結(jié)果，芯片及系統(tǒng)級(jí)的冷卻與包裝成本已經(jīng)逐步提高。對(duì)于低端系統(tǒng)(例如，手持式、便攜式和移動(dòng)設(shè)備)，降低凈能量消耗以便延長(zhǎng)電池壽命而不將性能降級(jí)到不可接受的程度是關(guān)鍵。在目前的微處理器設(shè)計(jì)中，超過(guò)70％的所消耗功率只是由于時(shí)鐘。在典型的同步設(shè)計(jì)中，超過(guò)90％的這種功率是在本地時(shí)鐘分離器/驅(qū)動(dòng)器和鎖存器中消耗的。
基本上，同步設(shè)計(jì)包括通常稱為管道的多個(gè)寄存器級(jí)。當(dāng)寄存器級(jí)或鎖存器瞬間將數(shù)據(jù)值從其輸入傳遞到輸出時(shí)，寄存器級(jí)或鎖存器通常稱為是透明的；而當(dāng)數(shù)據(jù)被鎖存在其中時(shí)，該級(jí)或鎖存器通常稱為是不透明的，即，不透明的鎖存器保持其輸出不變，而不管其輸入，使得其輸入不傳遞到輸出。因此，在基于被未選通的時(shí)鐘定時(shí)的主/從鎖存器的典型管道中，級(jí)通常是不透明的，而交替級(jí)在交替的時(shí)鐘狀態(tài)脈動(dòng)透明，例如，當(dāng)時(shí)鐘為高時(shí)，偶數(shù)級(jí)保持不透明，而奇數(shù)級(jí)脈動(dòng)變透明，而當(dāng)時(shí)鐘低為時(shí)，反過(guò)來(lái)是成立的。有選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)鐘的時(shí)鐘選通已經(jīng)用于在如微處理器的同步設(shè)計(jì)中降低功率消耗。盡管主從鎖存器實(shí)際上是分離的管道鎖存器級(jí)，但它們通常統(tǒng)稱為配對(duì)為一級(jí)。
管道的簡(jiǎn)單例子是先進(jìn)先出(FIFO)寄存器。在更復(fù)雜的管道例子中，邏輯可以分離一些或所有的級(jí)，例如乘/加累計(jì)(MAAC)單元或其它現(xiàn)有技術(shù)管道微處理器功能單元。FIFO是M級(jí)乘N位寄存器文件，M級(jí)中的每一個(gè)都包括N個(gè)鎖存器寄存器，每個(gè)數(shù)據(jù)位有至少一個(gè)鎖存器。通常，所有級(jí)都被單個(gè)全局時(shí)鐘同時(shí)定時(shí)，利用每個(gè)時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)項(xiàng)從一個(gè)級(jí)傳遞到下一個(gè)級(jí)。來(lái)自一個(gè)輸入環(huán)境的N位數(shù)據(jù)項(xiàng)在一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)入第一級(jí)，基本上相同的N位字在M個(gè)時(shí)鐘周期后的輸出環(huán)境保持不變地離開(kāi)最后一級(jí)。因此，F(xiàn)IFO可以用作M時(shí)鐘周期延遲。在每個(gè)時(shí)鐘周期(例如，每個(gè)其它的上升或下降時(shí)鐘邊緣)，F(xiàn)IFO中的每個(gè)N位字前進(jìn)一級(jí)。沒(méi)有時(shí)鐘選通，每個(gè)FIFO級(jí)在每個(gè)周期定時(shí)。利用粗略的時(shí)鐘選通，當(dāng)FIFO為空時(shí)，時(shí)鐘可以選通關(guān)閉，以降低/消除那段時(shí)間的FIFO功耗。利用更細(xì)粒度的時(shí)鐘選通，當(dāng)有效數(shù)據(jù)不在特定的級(jí)中時(shí)，單個(gè)FIFO級(jí)可以選通關(guān)閉，例如，即使當(dāng)FIFO不空時(shí)也能節(jié)約功率。
細(xì)粒度的時(shí)鐘選通技術(shù)通過(guò)有選擇地選通關(guān)閉功能塊中的例如到管道中的級(jí)的本地時(shí)鐘來(lái)有選擇地停止功能單元時(shí)鐘。見(jiàn)例如于2002年10月2日提交的、Hans M.Jacobson等人的、并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的標(biāo)題為“INTERLOCKED SYNCHRONOUS PIPELINECLOCK GATING”的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)10/262,769，該申請(qǐng)?jiān)诖艘胱鳛閰⒖肌１M管這些時(shí)鐘選通技術(shù)可以減少在管道中生成的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，但本地時(shí)鐘仍然對(duì)每個(gè)級(jí)對(duì)傳播通過(guò)管道的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)至少一次地脈動(dòng)，以便最小化通過(guò)相鄰管道級(jí)的鎖存器的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的危險(xiǎn)。
因此，需要以周期為基礎(chǔ)的適于管道當(dāng)前狀態(tài)的同步管道的動(dòng)態(tài)選擇的鎖存器級(jí)定時(shí)，而不降低管道的運(yùn)行頻率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是最小化同步設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘功率；本發(fā)明的另一目的是提高時(shí)鐘選通的靈活性；本發(fā)明還有另一目的是最小化同步設(shè)計(jì)功率，而不降低管道的運(yùn)行頻率。
本發(fā)明涉及同步管道片斷和包括該片斷的集成電路(IC)。片斷包括輸入級(jí)、輸出級(jí)和至少一個(gè)中間級(jí)。與每個(gè)級(jí)關(guān)聯(lián)的占位符鎖存器指示有效級(jí)數(shù)據(jù)是否在級(jí)中。本地時(shí)鐘緩沖器提供選通對(duì)應(yīng)級(jí)的本地時(shí)鐘。輸入與輸出級(jí)通常是不透明的，而中間級(jí)通常是透明的。數(shù)據(jù)項(xiàng)在輸入和輸出級(jí)之間是本地異步傳遞的，而且被不透明選通的中間級(jí)隔開(kāi)。
上述及其它目的、方面與優(yōu)點(diǎn)將從以下對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的具體描述并參考附圖被更好地理解，其中圖1A-B示出了通過(guò)典型的現(xiàn)有技術(shù)N乘M管道寄存器橫截面的例子傳播的數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖；圖2示出了優(yōu)選實(shí)施方式N乘M管道橫截面的例子；圖3示出了用于定時(shí)N級(jí)管道中通常透明的中間主和從級(jí)的合適的兩級(jí)本地時(shí)鐘緩沖器的例子；圖4示出了用于穿過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式管道片斷的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)序圖例子；圖5A-H示出了穿過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式管道片斷的五個(gè)級(jí)的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)；圖6示出了短(兩個(gè)中間級(jí))管道片斷例子的簡(jiǎn)化操作，該管道片斷例子具有一個(gè)通常不透明的輸入級(jí)、兩個(gè)通常透明的中間級(jí)和一個(gè)通常不透明的輸出級(jí)；圖7A-B示出了支持短(兩個(gè)中間級(jí))管道片斷中透明模式時(shí)鐘選通的合適的本地時(shí)鐘塊(LCB)的例子；圖8示出了具有四個(gè)級(jí)的短管道例子，其中邏輯折疊減小了有效級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)上的最大負(fù)載并均衡地分配信號(hào)負(fù)載；圖9A-C示出了高頻乘/加累計(jì)(MAAC)單元及對(duì)MAAC單元的透明管道化與通常不透明管道化的應(yīng)用的比較。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，更具體而言，圖1A-B示出了傳播通過(guò)典型現(xiàn)有技術(shù)N乘M管道寄存器交叉部分50的例子的數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖。在這個(gè)例子中，N是通常缺省為不透明的五個(gè)管道級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5，而M可以是適于特定應(yīng)用的任何寄存器寬度。全局時(shí)鐘54提供了定時(shí)邊緣，從該邊緣為每個(gè)管道級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5生成本地時(shí)鐘56-1、56-2、56-3、56-4和56-5。每個(gè)級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5被定時(shí)(脈動(dòng)透明)，以便允許本地?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)并鎖存在(后續(xù)不透明的)級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5中。數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)由本地時(shí)鐘脈沖56-1、56-2、56-3、56-4和56-5定時(shí)的管道50，這些脈沖使相應(yīng)的級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5暫時(shí)脈動(dòng)透明。在數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)的足夠時(shí)間后，級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5返回其不透明狀態(tài)，在新的上游數(shù)據(jù)到達(dá)之前鎖存數(shù)據(jù)項(xiàng)，由此避免潛在的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。
因此，在這個(gè)例子中，當(dāng)用于第一級(jí)52-1的本地時(shí)鐘56-1脈動(dòng)變高時(shí)，第一數(shù)據(jù)項(xiàng)(A)進(jìn)入管道50。應(yīng)當(dāng)指出，盡管在此描述為單個(gè)項(xiàng)穿過(guò)管道，但每個(gè)項(xiàng)也可以是并行穿過(guò)管道的相關(guān)或不相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。當(dāng)?shù)谝粩?shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)管道50時(shí)，因?yàn)榧?jí)通常保持不透明，所以每個(gè)后續(xù)級(jí)52-2、52-3、52-4和52-5脈動(dòng)透明，以便使數(shù)據(jù)項(xiàng)前進(jìn)。在第一數(shù)據(jù)項(xiàng)之后兩個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)用于第一級(jí)52-1的本地時(shí)鐘56-1再次脈動(dòng)變高時(shí)，第二數(shù)據(jù)項(xiàng)(B)進(jìn)入管道50。隨后，該第二數(shù)據(jù)項(xiàng)也傳播通過(guò)管道50，同樣，因?yàn)榧?jí)通常保持不透明，所以后續(xù)級(jí)52-2、52-3、52-4和52-5脈動(dòng)透明，以便使數(shù)據(jù)項(xiàng)前進(jìn)。因此，保持級(jí)通常為不透明防止穿過(guò)管道50的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)趕上下游的數(shù)據(jù)項(xiàng)，造成下游競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。不管競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的可能性在下游是否存在，這種悲觀、保守的定時(shí)方法都在每個(gè)級(jí)52-1、52-2、52-3、52-4和52-5對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)需要時(shí)鐘脈沖。相反，如下文將闡述的，本發(fā)明避免如這種悲觀定時(shí)方法中所需的在每個(gè)級(jí)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的冗余時(shí)鐘脈沖。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，內(nèi)部或中間管道片斷級(jí)通常缺省為透明的，即，鎖存器級(jí)處于透明時(shí)鐘選通模式或者透明模式。通常透明的級(jí)之間的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)是通過(guò)在同時(shí)傳播通過(guò)透明管道的每對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間選通級(jí)為不透明來(lái)避免的。因此，對(duì)于多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，選通到其不透明狀態(tài)的級(jí)隔開(kāi)每一對(duì)，即，通常透明的級(jí)被暫時(shí)選通到其不透明模式。級(jí)還可以放置到無(wú)時(shí)鐘選通或定時(shí)的模式，使得當(dāng)進(jìn)入的上游數(shù)據(jù)項(xiàng)到達(dá)不透明級(jí)時(shí)，該級(jí)被定時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，以便使上游數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)其。通常，透明管道級(jí)可以在三種不同的模式運(yùn)行，即透明、不透明和定時(shí)。如下文所描述的，選通鎖存器或級(jí)是指提供切換相應(yīng)鎖存器或級(jí)的，即從透明到不透明或相反的，本地時(shí)鐘電平。此外，對(duì)于具有一個(gè)或兩個(gè)中間級(jí)的短級(jí)管道，運(yùn)行模式的個(gè)數(shù)可以簡(jiǎn)化成兩個(gè)，即定時(shí)和透明。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式N乘M管道截面圖100的例子，在這個(gè)例子中N＝i+3。N級(jí)管道100包括輸入級(jí)102-0、中間級(jí)102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)及輸出級(jí)102-(i+2)。內(nèi)部或中間級(jí)102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)的每一個(gè)都包括生成本地時(shí)鐘106-1、106-2、......106-i、106-(i+1)的本地時(shí)鐘控制邏輯104-1、104-2、......104-i、104-(i+1)，不象上面圖1中現(xiàn)有技術(shù)管道寄存器50的例子，本地時(shí)鐘106-1、106-2、......106-i、106-(i+1)保持相應(yīng)的中間級(jí)102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)通常為透明并有選擇地選通或脈動(dòng)不透明。此外，每個(gè)管道級(jí)102-0、102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)、102-(i+2)都包括對(duì)應(yīng)占位符鎖存器108-0、108-1、108-2、......108-i、108-(i+1)、108-(i+2)中當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)管道100時(shí)跟蹤每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)或下游邊緣的有效級(jí)數(shù)據(jù)指示。通過(guò)鎖存這種下游邊緣，進(jìn)入的數(shù)據(jù)項(xiàng)可以自由地傳播通過(guò)上游鎖存器，而不會(huì)趕上并干擾鎖存的下游邊緣。因此，這種鎖存的下游邊緣隔開(kāi)了順序穿過(guò)優(yōu)選管道片斷的每對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)。級(jí)102-0、102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)和102-(i+2)可以是任何合適的鎖存寄存器級(jí)，包括但不限于主/從級(jí)或脈動(dòng)模式級(jí)。
如104-2的中間級(jí)本地時(shí)鐘控制邏輯從緊挨著其的前一級(jí)，在這個(gè)例子中是104-1，接收數(shù)據(jù)有效指示110和預(yù)測(cè)信號(hào)112。數(shù)據(jù)有效指示110和預(yù)測(cè)信號(hào)112在邏輯門114、116中與用于在保持級(jí)透明(gt)或選通其不透明(go)時(shí)使當(dāng)前級(jí)選通本地時(shí)鐘緩沖器120的級(jí)透明指示(gt’)118組合。在這個(gè)特定的例子中，如果級(jí)當(dāng)前是透明的且數(shù)據(jù)項(xiàng)的下游邊緣不在由來(lái)自該級(jí)的占位符鎖存器指示的緊挨著的上游級(jí)中或者例如來(lái)自112的緊挨著的上游預(yù)測(cè)信號(hào)不指示上游數(shù)據(jù)項(xiàng)在管道片斷100中，則級(jí)被選通為透明。此外，數(shù)據(jù)有效指示110和預(yù)測(cè)信號(hào)112在邏輯門122中與級(jí)透明指示118組合，以便從當(dāng)前級(jí)生成預(yù)測(cè)信號(hào)124。如果進(jìn)入的數(shù)據(jù)有效指示110指示數(shù)據(jù)項(xiàng)在下一個(gè)前一級(jí)中，或者當(dāng)前級(jí)是透明的而且例如112的進(jìn)入的預(yù)測(cè)信號(hào)指示數(shù)據(jù)項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入管道片斷100上游，則預(yù)測(cè)信號(hào)124指示上游數(shù)據(jù)項(xiàng)在管道中。通常，用于中間管道級(jí)102-i的運(yùn)行模式是由滿足以下的邏輯106-i選擇的go [Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND NOT(gt_L2[Ti])，gt[Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND gt_L2[Ti]OR NOT(predictor[Ti-1])，predictor[Ti]＝predictor[Ti-1]AND gt_L2[Ti]OR valid[Ti-1]，其中g(shù)t’＝gt_L2，而predictor[Ti]是第i級(jí)的預(yù)測(cè)信號(hào)124。
圖3示出了用于定時(shí)或選通N級(jí)管道中例如級(jí)104-2的通常透明的中間主/從級(jí)的合適的兩級(jí)本地時(shí)鐘緩沖器120的例子，其中N＞2，即，管道包括一個(gè)或多個(gè)中間級(jí)，如圖2中的片斷100。在這個(gè)例子中，透明選擇信號(hào)gt是通過(guò)反向器1200提供給主鎖存器或鎖存器1202的。主鎖存器1202與從鎖存器1204成對(duì)并與第二主鎖存器1206平行。全局時(shí)鐘由一對(duì)串行連接的定時(shí)鎖存器1202、1204、1206的反向器1208、1210反向。主鎖存器1202、1206的輸出在NAND門1212中與來(lái)自反向器1208的全局時(shí)鐘進(jìn)行NAND。從鎖存器1204的輸出在NAND門1216中與不透明選擇go并在NAND門1214中與全局時(shí)鐘進(jìn)行NAND。NAND門1214的輸出與主鎖存器1206的輸出在NAND門1218中進(jìn)行NAND。反向器1220提供正確的從時(shí)鐘輸出極性。一對(duì)串行連接的反向器1222、1224匹配主時(shí)鐘延遲和從時(shí)鐘延遲，緊耦合兩個(gè)輸出的邊緣。級(jí)透明輸出gt’可以從在從鎖存器1204輸出處的反向器(未示出)提供。
因此，盡管時(shí)鐘塊120選通為透明模式，但從時(shí)鐘邏輯對(duì)關(guān)于不透明選通信號(hào)的任何變化都敏感。優(yōu)選地，為了避免在整個(gè)從時(shí)鐘邏輯傳播假信號(hào)脈沖和對(duì)應(yīng)的額外時(shí)鐘功耗，主鎖存器1206的輸出不應(yīng)當(dāng)在透明選通模式中有假信號(hào)脈沖。當(dāng)聲明時(shí)，透明選通信號(hào)強(qiáng)迫不透明選通信號(hào)到穩(wěn)定的高值。因此，在透明選通信號(hào)解除聲明后，關(guān)于不透明選通信號(hào)的變化延遲一個(gè)時(shí)鐘周期。因?yàn)閷?duì)于N級(jí)透明管道，在切換到不透明選通模式之前級(jí)從透明模式切換到至少一個(gè)定時(shí)模式周期，所以這是可以接受的。
對(duì)于任何特定的管道片斷100，對(duì)輸入和輸出環(huán)境有兩種主要的行為約束。首先，每個(gè)上游數(shù)據(jù)項(xiàng)(例如，指令A(yù))在上游環(huán)境輸入(例如，輸入級(jí)102-0)中保持穩(wěn)定，直到后續(xù)的有效數(shù)據(jù)項(xiàng)(B)到達(dá)。其次，只有有效數(shù)據(jù)在輸出環(huán)境的下游輸出級(jí)中鎖存。當(dāng)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)入管道100時(shí)，它被鎖存到上游級(jí)中并本地異步地沿管道片斷向下傳播，直到它遇到另一個(gè)下游鎖存的數(shù)據(jù)項(xiàng)。因此，管道中的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都被鎖存在一個(gè)管道鎖存器中，該管道鎖存器選通為不透明并提供引起該鎖存項(xiàng)本地異步傳播的上游邊界和引起上游數(shù)據(jù)項(xiàng)本地異步傳播的下游邊界。
特別地，中間級(jí)，即這個(gè)例子中是中間級(jí)102-1、102-2、......102-i、102-(i+1)，形成通常透明的管道片斷。每個(gè)級(jí)102-1和102-(i+2)形成管道100的上游輸入和下游輸出，通常不透明地運(yùn)行。占位符鎖存器108-0、108-1、108-2、......108-i、108-(i+1)、108-(i+2)中的有效級(jí)數(shù)據(jù)位指示管道100中有效數(shù)據(jù)的位置。每個(gè)占位符鎖存器108-0、108-1、108-2、......108-i、108-(i+1)、108-(i+2)都在每個(gè)時(shí)鐘周期定時(shí)，而不管其關(guān)聯(lián)的級(jí)是保持透明還是保持不透明。
圖4示出了用于穿過(guò)圖5A-H的優(yōu)選實(shí)施方式管道片斷130的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)序圖，優(yōu)選實(shí)施方式管道片斷130在這個(gè)例子中是132-1、132-2、132-3、132-4、132-5。全局時(shí)鐘134提供全局定時(shí)參考。每個(gè)級(jí)132-1、132-2、132-3、132-4、132-5被從全局時(shí)鐘134本地導(dǎo)出的本地時(shí)鐘136-1、136-2、136-3、136-4、136-5定時(shí)或選通。最初，如5A所示，管道是空的。為了方便本發(fā)明的討論，參考附圖，透明鎖存器/級(jí)以虛線指示，而不透明鎖存器/級(jí)以實(shí)線指示。而且，破折號(hào)(-)指示不關(guān)心或氣泡。穿過(guò)管道的數(shù)據(jù)項(xiàng)由指示短路徑或本地異步傳播的小寫字母指示。大寫字母指示長(zhǎng)路徑或一級(jí)一級(jí)的同步傳播。數(shù)據(jù)項(xiàng)的捕捉，即在時(shí)鐘周期的結(jié)束，由密集的斷面線指示。粗線指示充當(dāng)有效位或數(shù)據(jù)項(xiàng)的當(dāng)前狀態(tài)保持器的鎖存器/級(jí)。
在如圖5B所示的第一時(shí)鐘周期中，當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)A進(jìn)入第一級(jí)132-1時(shí)，它被本地時(shí)鐘脈沖136-1捕捉并且當(dāng)邊界級(jí)132-1變得不透明時(shí)保持穩(wěn)定。從而，邊界級(jí)132-1變成數(shù)據(jù)項(xiàng)A的狀態(tài)保持器。由于中間級(jí)132-2、132-3和132-4通常保持透明模式，即通常是透明的，因此數(shù)據(jù)項(xiàng)A可以自由地傳播通過(guò)管道130的透明中間級(jí)。在第一循環(huán)的結(jié)束，數(shù)據(jù)項(xiàng)A的所有M位都已經(jīng)傳播，而且至少通過(guò)輸入級(jí)132-1之后的邏輯并通過(guò)中間級(jí)132-2的寄存器。此外，由于對(duì)于三個(gè)通常透明的中間級(jí)132-2、132-3和132-4中每個(gè)的每一位級(jí)延遲差別很大，因此依賴于各自的位延遲，有些位可能比其它位傳播得更遠(yuǎn)，甚至傳播到輸出級(jí)132-5。但是，由于輸出級(jí)132-5在有效級(jí)數(shù)據(jù)位到達(dá)之前是不透明的，因此這些早到達(dá)的值沒(méi)有在輸出級(jí)132-5中鎖存，避免了任何亞穩(wěn)狀態(tài)發(fā)生的危險(xiǎn)。因此，在這第一時(shí)鐘周期的結(jié)束，第一級(jí)132-1的輸出保持?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)A有效。
在圖5C所表示的第二時(shí)鐘周期中，所關(guān)聯(lián)的有效位在第二級(jí)占位符鎖存器中捕捉，以便指示數(shù)據(jù)項(xiàng)A的新下游位置。但是，由于沒(méi)有有效數(shù)據(jù)項(xiàng)緊跟在數(shù)據(jù)項(xiàng)A之后，因此第一級(jí)132-1繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)A鎖存和穩(wěn)定。由于至少在數(shù)據(jù)項(xiàng)在第一級(jí)132-1中保持鎖存的時(shí)候透明第二級(jí)132-2的輸出將保持恒定和有效，因此第二級(jí)132-2不需要選通成不透明，因此第二級(jí)132-2保持透明。而且，在這個(gè)時(shí)候，另一數(shù)據(jù)項(xiàng)B作為新輸入提供給輸入邊界級(jí)132-1。
如果進(jìn)入的數(shù)據(jù)項(xiàng)B被選通進(jìn)入輸入級(jí)，而中間級(jí)132-2、132-3和132-4透明，則上游數(shù)據(jù)項(xiàng)B的部分(例如，位)可能移動(dòng)通過(guò)短邏輯路徑并趕上其各自的位移動(dòng)通過(guò)較長(zhǎng)邏輯路徑的下游數(shù)據(jù)項(xiàng)(例如，A)。例如，M位乘M位乘法器最低位具有比最高位短得多的路徑延遲。因此，選通兩個(gè)值作為數(shù)據(jù)項(xiàng)(B)進(jìn)入輸入級(jí)132-1可能造成中間級(jí)132-2、132-3和132-4中(與部分乘積A的)的競(jìng)爭(zhēng)，由于M位中的每一個(gè)都具有不同的級(jí)邏輯路徑深度，因此來(lái)自上游數(shù)據(jù)的位會(huì)意外地重寫下游數(shù)據(jù)。以前，競(jìng)爭(zhēng)是通過(guò)保持級(jí)通常不透明并脈動(dòng)每個(gè)級(jí)的所有鎖存器透明、對(duì)通過(guò)管道的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)至少定時(shí)一次以避免鎖存器級(jí)之間的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)避免的。優(yōu)選實(shí)施方式管道在數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)空下游級(jí)時(shí)忽略超過(guò)前向邊緣的不合邏輯的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)；并且通過(guò)鎖存前向的下游有效級(jí)來(lái)避免實(shí)際的潛在競(jìng)爭(zhēng)，尤其是當(dāng)新數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)入上游并沒(méi)有對(duì)管道設(shè)置附加的定時(shí)約束時(shí)。此外，假定級(jí)邏輯延遲符合特定級(jí)132-2、132-3、132-4和132-5的安裝與保持時(shí)間需求，如在通常不透明管道中所需的，則通過(guò)管道130的長(zhǎng)路徑和短路徑延遲可以任意長(zhǎng)。
因此，在圖5D中，第三時(shí)鐘周期當(dāng)新數(shù)據(jù)項(xiàng)B鎖存到與設(shè)置對(duì)應(yīng)有效級(jí)數(shù)據(jù)位一致的輸入邊界級(jí)132-1中時(shí)開(kāi)始。但是，因此，盡管已知數(shù)據(jù)項(xiàng)A當(dāng)前在由該占位符狀態(tài)指示的中間級(jí)132-3是有效的，但輸入邊界級(jí)132-1不再維護(hù)數(shù)據(jù)項(xiàng)A。因此，因?yàn)樗鼪](méi)有鎖存在任何級(jí)中，所以數(shù)據(jù)項(xiàng)A暫時(shí)是完全異步和瞬時(shí)的。本地時(shí)鐘136-3下降，以便捕捉并保持A穩(wěn)定，從而固定用于數(shù)據(jù)項(xiàng)A的新上游邊界。當(dāng)本地時(shí)鐘136-3低時(shí)，中間級(jí)132-3被選通成不透明并保持不透明，直到在后續(xù)的時(shí)鐘周期中級(jí)數(shù)據(jù)有效位指示數(shù)據(jù)項(xiàng)B已經(jīng)到達(dá)這個(gè)內(nèi)部級(jí)132-3。因此，在這第三時(shí)鐘周期的結(jié)束，通常不透明的輸入邊界級(jí)132-1是用于數(shù)據(jù)項(xiàng)B的狀態(tài)保持器，而選通成不透明的中間級(jí)132-3是用于數(shù)據(jù)項(xiàng)A的狀態(tài)保持器。中間級(jí)132-2和132-4保持透明。數(shù)據(jù)項(xiàng)B可以自由地傳播通過(guò)級(jí)132-1和132-3之間的邏輯，而數(shù)據(jù)項(xiàng)A可以自由地傳播通過(guò)級(jí)132-3和132-5之間的邏輯，即分別通過(guò)透明中間級(jí)132-2和132-4的短路徑傳播。
在圖5E所示的第四時(shí)鐘周期中，級(jí)保持不變，即輸入邊界級(jí)132-1和中間級(jí)132-3保持不透明，以便分別保持?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)B和A，而中間級(jí)132-2和132-4保持透明。對(duì)應(yīng)的有效級(jí)數(shù)據(jù)位前進(jìn)一級(jí)，到達(dá)與中間級(jí)132-2和132-4關(guān)聯(lián)的占位符鎖存器。隨后，在圖5F所示的第五時(shí)鐘周期中，每個(gè)對(duì)應(yīng)的有效級(jí)數(shù)據(jù)位指示數(shù)據(jù)項(xiàng)B、A已經(jīng)到達(dá)相應(yīng)的下游邊界級(jí)132-3和132-5。因此，有效數(shù)據(jù)在到管道輸出級(jí)132-5的輸入是可用的，它脈動(dòng)透明并返回不透明，以便捕捉數(shù)據(jù)項(xiàng)A。同時(shí)，中間鎖存器132-3回到透明模式，通過(guò)上游數(shù)據(jù)項(xiàng)B。每個(gè)相應(yīng)占位符鎖存器中的有效級(jí)數(shù)據(jù)指示數(shù)據(jù)項(xiàng)B駐留在中間級(jí)132-3中且數(shù)據(jù)項(xiàng)A在輸出級(jí)132-5可用。
其后，在圖5G所示的第六時(shí)鐘周期中，在輸入級(jí)132-1中鎖存的數(shù)據(jù)項(xiàng)B在管道130中本地異步地傳播且輸出級(jí)132-5繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)A。當(dāng)其鎖存在中間級(jí)132-4的占位符鎖存器時(shí)，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)項(xiàng)B的有效數(shù)據(jù)位繼續(xù)其通過(guò)管道130的前進(jìn)。最后，在圖5H所示的第七時(shí)鐘周期中，假定數(shù)據(jù)項(xiàng)A沒(méi)有在輸出級(jí)132-5中停止，則與數(shù)據(jù)項(xiàng)B關(guān)聯(lián)的有效位到達(dá)輸出級(jí)132-5，指示數(shù)據(jù)項(xiàng)B已經(jīng)到達(dá)輸出級(jí)132-5。輸出級(jí)132-5脈動(dòng)透明并返回不透明，以便捕捉數(shù)據(jù)項(xiàng)B。同時(shí)，有效級(jí)數(shù)據(jù)位被鎖存到占位符鎖存器中，指示數(shù)據(jù)項(xiàng)B在輸出級(jí)132-5中可用。在數(shù)據(jù)項(xiàng)B離開(kāi)管道片斷130之后的下一后續(xù)時(shí)鐘周期(未示出)中，管道片斷可以象在圖5A中那樣被看作是空的，等待下一數(shù)據(jù)項(xiàng)(未示出)提交給上游輸入級(jí)132-1。
作為一種通用的規(guī)則，不透明的狀態(tài)保持器級(jí)必須分離每個(gè)上游數(shù)據(jù)項(xiàng)和下游數(shù)據(jù)項(xiàng)，以避免競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，并且最佳地是，只有當(dāng)存在上游數(shù)據(jù)項(xiàng)重寫下游數(shù)據(jù)項(xiàng)的可能時(shí)才分離。例如，環(huán)形管道(未示出)必須對(duì)管道中的每個(gè)環(huán)流數(shù)據(jù)項(xiàng)A包括至少一個(gè)而且優(yōu)選地是只有一個(gè)不透明狀態(tài)保持器級(jí)；對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)A，不透明狀態(tài)保持器級(jí)分離數(shù)據(jù)項(xiàng)與其尾部。在非線性管道片斷中，數(shù)據(jù)項(xiàng)可以有多個(gè)狀態(tài)保持器級(jí)，每個(gè)保持?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)的某種形式。如果任一狀態(tài)保持器級(jí)被重寫，則為管道那部分的數(shù)據(jù)項(xiàng)提供新?tīng)顟B(tài)保持器。有利地，不是定時(shí)每個(gè)級(jí)來(lái)前進(jìn)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，一級(jí)一級(jí)的定時(shí)急劇降低，因?yàn)橹挥星斑M(jìn)同時(shí)通過(guò)管道的一對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)所必需的級(jí)被定時(shí)，所以不會(huì)造成數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。此外，相對(duì)簡(jiǎn)單的邏輯可以用于正確地選通管道級(jí)。
圖6示出了用于短(兩個(gè)中間級(jí))管道片斷例子140的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，具有通常不透明的輸入級(jí)142-1、兩個(gè)通常透明的中間級(jí)142-2、142-3和通常不透明的輸出級(jí)142-4。邊界環(huán)境(輸入或輸出)數(shù)據(jù)邊界指示符標(biāo)識(shí)為E0和E3，而來(lái)自緊挨著的前面一個(gè)片斷的邊界數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)識(shí)為E-1。而用于級(jí)142-2、142-3的中間數(shù)據(jù)邊緣指示符分別識(shí)別為validT1和validT2。與每個(gè)中間管道級(jí)142-2、142-3關(guān)聯(lián)的邏輯144、146檢測(cè)對(duì)應(yīng)的級(jí)應(yīng)當(dāng)切換到定時(shí)模式還是應(yīng)當(dāng)保持透明。通常，一個(gè)透明級(jí)處于定時(shí)模式，以便分離同時(shí)傳播通過(guò)管道的透明級(jí)的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。因此，當(dāng)至少兩個(gè)片斷占位符鎖存器帶有效數(shù)據(jù)位出現(xiàn)時(shí)，短管道片斷中一個(gè)通常為透明的級(jí)應(yīng)當(dāng)定時(shí)。因此，對(duì)于這個(gè)例子，本地時(shí)鐘邏輯144、146和反向器148I、148O在每個(gè)級(jí)提供正確的時(shí)鐘選擇關(guān)系，即gateE0＝NOT(validE-1)gateT1＝NOT(validE-1AND validE0)gateT2＝NOT(validT1AND(validE-1OR validE0))gateE3＝NOT(validT2)
圖中所表示的邏輯只是例子，而不是要作為限制。任何合適的等效邏輯或任何合適的控制都可以代替。而且，在此所提供的每個(gè)例子中，在用于一個(gè)片斷的輸出環(huán)境的級(jí)，例如圖2中片斷100的級(jí)102-(i+2)，可以是用于其它片斷的輸入環(huán)境的公共級(jí)，例如片斷140中的142-1，即，級(jí)102-(i+2)和級(jí)142-1可以是相同的級(jí)。
圖7A-B示出了支持短(兩個(gè)中間級(jí))管道片斷，例如圖6中的140，中透明模式時(shí)鐘選通的合適的本地時(shí)鐘緩沖器或本地時(shí)鐘塊(LCB)的例子。圖7A示出了用于兩階段定時(shí)主/從管道的時(shí)鐘塊邏輯150，基本上與圖3具有相同標(biāo)識(shí)的相同塊的例子類似。在這個(gè)例子中，單個(gè)時(shí)鐘選通信號(hào)代替了透明(gt)和不透明(go)信號(hào)。而且，由于這個(gè)時(shí)鐘塊包括單個(gè)主鎖存器1202，因此2輸入NAND門152組合主鎖存器1202的輸出與來(lái)自反向器1208的反向的全局時(shí)鐘。主和從鎖存器1202、1204鎖存時(shí)鐘選通信號(hào)，以防止本地時(shí)鐘上的假信號(hào)脈沖。當(dāng)主1202和從1204都鎖存到低時(shí)，兩個(gè)輸出都為透明保持高(邏輯1)。當(dāng)其中一個(gè)或兩個(gè)都鎖存到高時(shí)，全局時(shí)鐘傳遞到級(jí)，作為主和從時(shí)鐘，交替地使主和從鎖存器不透明。
圖7B示出了用于驅(qū)動(dòng)脈沖模式管道級(jí)的脈沖時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器160，其中級(jí)被窄脈沖定時(shí)，以避免相鄰管道級(jí)之間的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。在這個(gè)例子中，全局時(shí)鐘提供給反向器162。反向器162的輸出是到脈沖發(fā)生器的輸入，其中脈沖發(fā)生器包括作為串聯(lián)反向器延遲的三個(gè)反向器164、166、168和NAND門170。全局時(shí)鐘被串聯(lián)反向器延遲延遲并再次反向，因此，如果時(shí)鐘塊以非選通模式運(yùn)行，則每次全局時(shí)鐘下降時(shí)NAND門170都向三個(gè)反向器(164、166、168)提供長(zhǎng)時(shí)間高的脈沖。同樣，在這個(gè)例子中，單個(gè)門信號(hào)通過(guò)反向器172提供給被來(lái)自脈沖發(fā)送器的時(shí)鐘脈沖選通的鎖存器174。鎖存器174的輸出與來(lái)自脈沖發(fā)生器的時(shí)鐘脈沖在NAND門176中組合。無(wú)論何時(shí)當(dāng)鎖存器174鎖存到高時(shí)，脈沖輸出就由NAND門176提供。因此，在透明模式中，時(shí)鐘選通信號(hào)可以就在時(shí)鐘脈沖的下降邊緣之前到達(dá)反向器172。因此，在透明管道級(jí)中，時(shí)鐘選通信號(hào)可以到達(dá)脈沖的末尾。
在管道停止中，停止的管道片斷，例如微處理器中的執(zhí)行單元，保持管道數(shù)據(jù)項(xiàng)，直到停止條件結(jié)束。例如，對(duì)共享微處理器總線的同時(shí)寫可能需要執(zhí)行單元停止并等待，直到總線可用。在這種停止中，執(zhí)行單元必需在其輸出級(jí)中保持下游數(shù)據(jù)項(xiàng)，而且暫停上游數(shù)據(jù)項(xiàng)。如上文所描述的，這種數(shù)據(jù)保持可以利用選任的的不透明模式時(shí)鐘選通(即，在不透明模式中放置級(jí)并在管道中保持?jǐn)?shù)據(jù))或者利用數(shù)據(jù)再循環(huán)通過(guò)將輸出反饋回輸入，例如復(fù)用器，來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)再循環(huán)可以在時(shí)鐘塊只支持定時(shí)模式和透明模式時(shí)使用，例如圖6中的兩個(gè)透明級(jí)管道片斷140。
圖8示出了具有四個(gè)級(jí)182-1、182-2、182-3、182-4的短管道180的例子，基本上類似于圖6的例子140，其中邏輯折疊184、186減小了有效級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)上的最大負(fù)載，而且更均衡地分配信號(hào)負(fù)載。在這個(gè)例子中，每個(gè)占位符188-1、188-2、188-3、188-4輸出驅(qū)動(dòng)不多于兩個(gè)的輸出端數(shù)。因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)管道中點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)項(xiàng)可以不在其中特定數(shù)據(jù)項(xiàng)當(dāng)前駐留的級(jí)而在中點(diǎn)保持；還因?yàn)檫M(jìn)入管道的任何新數(shù)據(jù)項(xiàng)都在與處于中點(diǎn)的數(shù)據(jù)項(xiàng)到達(dá)結(jié)束級(jí)所采用的相同或更少的時(shí)鐘周期從進(jìn)入點(diǎn)傳播到中點(diǎn)，所以折疊是可能的。因此，當(dāng)進(jìn)入的數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播到中點(diǎn)時(shí)，同時(shí)，在中點(diǎn)保持的下游數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播到管道輸出環(huán)境。特別地，這個(gè)例子中折疊的向后看邏輯184、186基于上游和下游管道有效級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)確定級(jí)182-1、182-2、182-3、182-4整個(gè)范圍上管道的利用率。
因此，有利地，優(yōu)選實(shí)施方式的折疊的向后看邏輯(例如，184、186)不在幾個(gè)管道級(jí)上分配有效級(jí)數(shù)據(jù)，這有可能將信號(hào)傳播減慢到使向后看邏輯對(duì)路徑信號(hào)關(guān)鍵的程度。改善通常分配延遲的折疊再次分配信號(hào)延遲關(guān)心向后看控制邏輯并可以減少或包含每個(gè)有效級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)必須驅(qū)動(dòng)的級(jí)的個(gè)數(shù)。此外，在典型的非折疊管道中，中點(diǎn)的鎖存器級(jí)下游比中點(diǎn)的鎖存器級(jí)上游更經(jīng)常地被定時(shí)。但是，在折疊管道中，其反過(guò)來(lái)是對(duì)的。因此，當(dāng)上游鎖存器級(jí)比下游鎖存器級(jí)包含更少的鎖存器時(shí)，折疊可以有利地用于進(jìn)一步降低管道時(shí)鐘功率。
圖9A-C示出了高頻乘/加累計(jì)(MAAC)單元200和根據(jù)本發(fā)明MAAC單元200優(yōu)選實(shí)施方式的透明管道化應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)例子中，圖9A的MAAC 200是具有最終加法器的32×32固定點(diǎn)Booth編碼乘法器。圖9B示出了比較應(yīng)用完全不透明和優(yōu)選實(shí)施方式透明管道化的絕對(duì)時(shí)鐘功率的條形圖例子。圖11C示出了用于具有通常透明的中間級(jí)的MAAC單元200的絕對(duì)功率節(jié)約極端的例子。MAAC單元200包括允許加指令直接進(jìn)入最終加法器204、206的旁路路徑202，而不需要通過(guò)多個(gè)級(jí)208、210、212、214、216。乘累計(jì)指令通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑218啟用。MAAC單元200包括七級(jí)管道220、222、224、226、228、230、232。在圖9B和C所示的比較中，中間級(jí)222、224、228、230對(duì)于優(yōu)選實(shí)施方式例子通常是透明的，這與所有級(jí)220、222、224、226、228、230、232通常不透明并脈動(dòng)透明形成對(duì)比。控制在控制路徑234中提供。加法器旁路路徑202、結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)路徑218和控制路徑234中的每一個(gè)都包括不透明的級(jí)236、238、240、242和244，而不管鎖存器222、224、228和230通常是透明的還是不透明的。
圖9B示出了用于5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)鐘功率對(duì)切換因子的條形圖比較，在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，左邊是通常不透明的結(jié)果，右邊是優(yōu)選實(shí)施方式例子的結(jié)果。對(duì)于這個(gè)例子，最大相對(duì)時(shí)鐘功率節(jié)時(shí)鐘約在管道利用因子(有效切換因子)為20％時(shí)達(dá)到峰值60％。圖9C示出了當(dāng)數(shù)據(jù)輸入切換因子在曲線250的0％和曲線252的100％時(shí)透明時(shí)鐘選通管道級(jí)功率節(jié)約的絕對(duì)時(shí)鐘功率節(jié)約極端的比較，說(shuō)明了作為管道透明片斷中增加的邏輯深度結(jié)果引入的額外假信號(hào)脈沖功率的最好和最壞情況。特別地，在50％的管道利用因子期望最大的絕對(duì)功率節(jié)約。而且，所引入的假信號(hào)脈沖功率不期望多于時(shí)鐘功率節(jié)約的10％。此外，隨著管道利用因子增加，假信號(hào)脈沖功率減小，因?yàn)殡S著利用因子增加，在管道中有更多的背靠背指令而且更多的管道級(jí)必須定時(shí)。當(dāng)更多的更多級(jí)被定時(shí)時(shí)，假信號(hào)脈沖功率減小。因此，對(duì)于具有適度假信號(hào)脈沖趨勢(shì)的邏輯，透明管道總是象不透明時(shí)鐘選通管道一樣好地執(zhí)行或者更好。
因此，有利地，透明管道化減小了動(dòng)態(tài)時(shí)鐘功率浪費(fèi)并方便了最佳時(shí)鐘選通。中間透明管道級(jí)中的數(shù)據(jù)寄存器通常只定時(shí)到分離背靠背數(shù)據(jù)項(xiàng)，使其不彼此干擾。因此，時(shí)鐘功率對(duì)于未定時(shí)的級(jí)是最小化的，并且在傳統(tǒng)的管道時(shí)鐘選通技術(shù)上有顯著減小。動(dòng)態(tài)時(shí)鐘功率浪費(fèi)可以在20-60％的功率利用因子降低40-60％。
寬松的定時(shí)需求還可以允許選通足夠長(zhǎng)時(shí)間的本地時(shí)鐘，以便斷電本地時(shí)鐘塊，例如使用保持泄漏降低技術(shù)?？蛇x地，假定附加管道級(jí)功率和延遲的成本是可以接受的，則可以為不透明的管道鎖存器提供無(wú)假信號(hào)脈沖的復(fù)用旁路路徑。但是，透明管道化特別適合于具有很少?gòu)?fù)用器和很少或沒(méi)有分支的線性管道，尤其適于于非常高頻的管道。這是因?yàn)樵诟哳l微處理器管道中氣泡更加普通，因?yàn)楦俚臄?shù)據(jù)路徑功能可以提供單循環(huán)結(jié)果。線性管道中假信號(hào)脈沖功率的增加是相當(dāng)?shù)偷?，而且一般可以限制到所?jié)約時(shí)鐘功率的大約10％。同樣，20％-60％范圍內(nèi)的管道利用因子得到最大的功率節(jié)約。在選通關(guān)閉段的所有級(jí)可能引入太多假信號(hào)脈沖或者信號(hào)可能在上游源自有效級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)于時(shí)鐘選通太晚到達(dá)的級(jí)的情況下，管道級(jí)(或寄存器)鎖存器的子集可以選擇為通常是透明的。
因此，有利地，級(jí)可以一個(gè)周期一個(gè)周期地動(dòng)態(tài)適應(yīng)管道的當(dāng)前狀態(tài)，而不降低管道的運(yùn)行頻率。鎖存器級(jí)是不透明的，以便在管道中分離間隔很近的數(shù)據(jù)項(xiàng)，反之是透明的。通過(guò)保持級(jí)缺省透明，在時(shí)間上(即，時(shí)鐘周期)分隔得足夠開(kāi)的數(shù)據(jù)項(xiàng)沒(méi)有時(shí)鐘脈沖地傳播通過(guò)管道，本地異步但總體上仍然是同步的。無(wú)論何時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)傳播通過(guò)管道所需的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)比級(jí)的個(gè)數(shù)少時(shí)，因?yàn)橥ǔＭ该鞯募?jí)只切換成不透明，以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，因此多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)可以降低的功率同時(shí)穿過(guò)管道。
盡管已經(jīng)以優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在所附權(quán)利要求的主旨與范圍內(nèi)，本發(fā)明可以有修改地實(shí)踐。
權(quán)利要求
1.一種被全局時(shí)鐘定時(shí)的同步管道片斷，所述同步管道片斷包括多個(gè)連續(xù)的管道級(jí)，包括輸入級(jí)、輸出級(jí)和至少一個(gè)中間級(jí)；多個(gè)本地時(shí)鐘緩沖器，每個(gè)本地時(shí)鐘緩沖器向一個(gè)所述對(duì)應(yīng)的管道級(jí)提供本地時(shí)鐘，響應(yīng)對(duì)應(yīng)的所述本地時(shí)鐘，所述輸入級(jí)和所述輸出級(jí)通常是不透明的，而至少一個(gè)中間級(jí)通常是透明的；及本地時(shí)鐘控制電路，向所述多個(gè)時(shí)鐘緩沖器中的每個(gè)提供時(shí)鐘選擇控制，所述時(shí)鐘選擇控制確定每個(gè)所述管道級(jí)響應(yīng)所述對(duì)應(yīng)的本地時(shí)鐘而選通為透明、定時(shí)還是選通為不透明。
2.如權(quán)利要求1所述的同步管道片斷，其中所述至少一個(gè)中間級(jí)是多個(gè)中間級(jí)。
3.如權(quán)利要求2所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)中間級(jí)中的每一個(gè)選擇性地定時(shí)或者選通為不透明，穿過(guò)所述管道片斷的數(shù)據(jù)項(xiàng)是本地異步通過(guò)的，而且被定時(shí)或不透明選通的所述中間級(jí)分隔。
4.如權(quán)利要求3所述的同步管道片斷，其中所述本地時(shí)鐘控制電路包括多個(gè)占位符鎖存器，每個(gè)占位符鎖存器指示數(shù)據(jù)項(xiàng)邊緣是否在對(duì)應(yīng)的所述管道級(jí)。
5.如權(quán)利要求4所述的同步管道片斷，其中每個(gè)所述本地時(shí)鐘是響應(yīng)所述多個(gè)占位符鎖存器中一個(gè)或多個(gè)的內(nèi)容提供的。
6.如權(quán)利要求5所述的同步管道片斷，其中所述每個(gè)占位符鎖存器從上游級(jí)接收數(shù)據(jù)邊緣指示符，每個(gè)所述數(shù)據(jù)項(xiàng)的轉(zhuǎn)發(fā)邊緣由所述數(shù)據(jù)邊緣指示符本地指示。
7.如權(quán)利要求6所述的同步管道片斷，其中向所述多個(gè)中間級(jí)中的一個(gè)提供所述本地時(shí)鐘的所述每個(gè)本地時(shí)鐘緩沖器響應(yīng)所述數(shù)據(jù)邊緣指示符而接收至少兩個(gè)時(shí)鐘選通指示符，所述多個(gè)中間級(jí)中的每一個(gè)都響應(yīng)于有效數(shù)據(jù)提供給所述多個(gè)連續(xù)管道級(jí)中的至少兩個(gè)的指示而定時(shí)成不透明。
8.如權(quán)利要求7所述的同步管道片斷，其中輸入到至少一個(gè)所述時(shí)鐘緩沖器的至少一個(gè)所述數(shù)據(jù)邊緣指示符是到下游占位符鎖存器的輸入。
9.如權(quán)利要求7所述的同步管道片斷，其中所述輸入級(jí)和所述輸出級(jí)中的每一個(gè)都響應(yīng)于關(guān)于到對(duì)應(yīng)的所述占位符鎖存器的輸入的有效數(shù)據(jù)指示而定時(shí)成透明。
10.如權(quán)利要求9所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)中間級(jí)是兩個(gè)中間級(jí)。
11.如權(quán)利要求10所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)連續(xù)管道級(jí)中的每一個(gè)都響應(yīng)以下所述的關(guān)系集合而定時(shí)gateE0＝NOT(validE-1)gateT1＝NOT(validE-1AND validE0)gateT2＝NOT(validT1AND(validE-1OR validE0))和gateE3＝NOT(validT2)，其中每個(gè)所述對(duì)應(yīng)占位符鎖存器的內(nèi)容分別標(biāo)記為E0、T1、T2和E3，而提供給對(duì)應(yīng)于所述輸入級(jí)的所述占位符鎖存器的所述數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E-1。
12.如權(quán)利要求9所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)中間級(jí)是三個(gè)或者更多中間級(jí)。
13.如權(quán)利要求12所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)中間級(jí)中的每個(gè)都響應(yīng)以下所述的關(guān)系集合而定時(shí)go[Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND NOT(gt_L2[Ti])，gt[Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND gt_L2[Ti]OR NOT(predictor[Ti-1])，及predictor[Ti]＝predictor[Ti-1]AND gt_L2[Ti]OR valid[Ti-1]，其中g(shù)t是到對(duì)應(yīng)中間級(jí)的選通透明信號(hào)，gt_L2是來(lái)自所述對(duì)應(yīng)中間級(jí)的選通透明信號(hào)，而predictor指示所述管道片斷中上游數(shù)據(jù)項(xiàng)的存在。
14.如權(quán)利要求9所述的同步管道片斷，還包括分開(kāi)所述多個(gè)管道級(jí)中至少兩個(gè)相鄰級(jí)的邏輯。
15.如權(quán)利要求1所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)管道級(jí)中的每個(gè)都是主從級(jí)。
16.如權(quán)利要求1所述的同步管道片斷，其中所述多個(gè)管道級(jí)中的每個(gè)都是脈沖模式級(jí)。
17.一種集成電路(IC)，包括多個(gè)邏輯路徑，所述多個(gè)邏輯路徑中的至少一個(gè)包括同步管道片斷，所述同步管道片斷包括輸入級(jí)，所述輸入級(jí)通常是不透明的；輸出級(jí)，所述輸出級(jí)通常是不透明的；至少一個(gè)中間級(jí)，所述至少一個(gè)中間級(jí)通常是透明的；多個(gè)占位符鎖存器，每個(gè)占位符鎖存器接收指示有效數(shù)據(jù)是否正提供給對(duì)應(yīng)級(jí)和指示有效數(shù)據(jù)是否在所述對(duì)應(yīng)級(jí)中的數(shù)據(jù)邊緣指示符；及本地時(shí)鐘緩沖器，響應(yīng)全局時(shí)鐘提供選擇性地選通每個(gè)所述對(duì)應(yīng)級(jí)的本地時(shí)鐘，所述輸入級(jí)和所述輸出級(jí)選擇性地選通為透明，而每個(gè)所述至少一個(gè)中間級(jí)選擇性地選通為不透明，數(shù)據(jù)項(xiàng)本地異步地通過(guò)每個(gè)所述至少一個(gè)中間級(jí)。
18.如權(quán)利要求17所述的IC，其中所述至少一個(gè)中間級(jí)是多個(gè)中間級(jí)，穿過(guò)所述同步管道片斷的數(shù)據(jù)項(xiàng)被所述多個(gè)中間級(jí)中不透明選通的中間級(jí)分隔。
19.如權(quán)利要求18所述的IC，其中所述數(shù)據(jù)邊緣指示符指示穿過(guò)所述同步管道片斷的所述數(shù)據(jù)項(xiàng)的邊緣。
20.如權(quán)利要求19所述的IC，其中選通所述多個(gè)中間級(jí)中每一個(gè)的每個(gè)所述本地時(shí)鐘緩沖器接收多個(gè)所述數(shù)據(jù)邊緣指示符，所述數(shù)據(jù)邊緣指示符提供給所述多個(gè)占位符鎖存器中的一個(gè)或多個(gè)，響應(yīng)于有效數(shù)據(jù)提供給至少兩級(jí)的指示，所述多個(gè)中間級(jí)中每個(gè)對(duì)應(yīng)的一個(gè)被選通為不透明。
21.如權(quán)利要求20所述的IC，其中每個(gè)所述輸入級(jí)和每個(gè)所述輸出級(jí)響應(yīng)于提供給對(duì)應(yīng)的所述占位符鎖存器的有效數(shù)據(jù)指示而選通為透明。
22.如權(quán)利要求21所述的IC，其中至少一個(gè)所述時(shí)鐘緩沖器接收提供給下游的所述占位符鎖存器的一個(gè)所述數(shù)據(jù)邊緣指示符。
23.如權(quán)利要求21所述的IC，其中所述多個(gè)中間級(jí)是兩個(gè)中間級(jí)，而且每個(gè)所述本地時(shí)鐘滿足以下所述的關(guān)系集合gateE0＝NOT(validE-1)gateT1＝NOT(validE-1AND validE0)gateT2＝NOT(validT1AND(validE-1OR validE0))和gateE3＝NOT(validT2)，其中每個(gè)所述對(duì)應(yīng)占位符鎖存器的內(nèi)容分別標(biāo)記為E0、T1、T2和E3，而提供給對(duì)應(yīng)于所述輸入級(jí)的所述占位符鎖存器的所述數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E-1。
24.如權(quán)利要求17所述的IC，其中所述多個(gè)管道級(jí)中的每一個(gè)是主從級(jí)。
25.如權(quán)利要求17所述的IC，其中所述多個(gè)管道級(jí)中的每一個(gè)是脈沖模式級(jí)。
26.如權(quán)利要求17所述的IC，其中所述IC是微處理器。
27.一種本地時(shí)鐘緩沖器(LCB)，用于響應(yīng)到對(duì)應(yīng)中間級(jí)的選通透明信號(hào)(gt)和來(lái)自所述對(duì)應(yīng)中間級(jí)的選通透明信號(hào)(gt_L2)以及指示所述管道片斷中上游數(shù)據(jù)項(xiàng)存在的預(yù)測(cè)信號(hào)(predictor)選擇性地選通通常透明的管道級(jí)。
28.如權(quán)利要求27所述的用于選擇性地選通通常透明的管道級(jí)的LCB，本地時(shí)鐘還響應(yīng)由gateT1＝NOT(validE-1AND validE0)描述的關(guān)系提供給至少一個(gè)通常透明的管道級(jí)，其中對(duì)應(yīng)占位符鎖存器的內(nèi)容標(biāo)記為T1，提供給占位符鎖存器的數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E0，而對(duì)應(yīng)于輸入級(jí)的數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E-1。
29.如權(quán)利要求28所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的主從管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)master_clock＝NOT(NOT(global_clock)AND NOT(gt_L1))，及slave_clock＝NOT(global_clock AND NOT(gt_L2))。
30.如權(quán)利要求28所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的主從管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)pulse_clock＝NOT(NOT(NOT(global_clock)ANDglobal_clock_DELAYED)AND NOT(gt_L1))。
31.如權(quán)利要求27所述的用于選擇性地選通通常透明的管道級(jí)的LCB，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系提供給至少一個(gè)通常透明的管道級(jí)gateT2＝NOT(validT1AND(validE-1OR validE0))，其中對(duì)應(yīng)占位符鎖存器的內(nèi)容標(biāo)記為T2，到上游級(jí)的對(duì)應(yīng)占位符鎖存器的內(nèi)容標(biāo)記為T1，而提供給上游占位符鎖存器的數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E0，對(duì)應(yīng)于輸入級(jí)的數(shù)據(jù)邊緣指示符標(biāo)記為E-1。
32.如權(quán)利要求31所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的主從管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)master_clock＝NOT(NOT(global_clock)AND NOT(gt_L1))，及slave_clock＝NOT(global_clock AND NOT(gt_L2))
33.如權(quán)利要求31所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的脈動(dòng)管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)pulse_clock＝NOT(NOT(NOT(global_clock)ANDglobal_clock_DELAYED)AND NOT(gt_L1))。
34.如權(quán)利要求27所述的用于選擇性地選通通常透明的管道級(jí)的LCB，所述本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合還提供給所述通常透明的管道級(jí)go[Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND NOT(gt_L2[Ti])，及gt[Ti]＝NOT(valid[Ti-1])AND gt_L2[Ti]OR NOT(predictor[Ti-1])。
35.如權(quán)利要求34所述的用于選擇性地選通通常透明的管道級(jí)的LCB，所述本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合還提供給所述通常透明的管道級(jí)predictor[Ti]＝predictor[Ti-1]AND gt_L2[Ti]OR valid[Ti-1]。
36.如權(quán)利要求35所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的主從管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，所述LCB在所述通常透明的管道級(jí)中既支持透明模式，又支持不透明模式，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)master_clock＝NOT(NOT(global_clock)AND NOT(gt_L1)ANDNOT(go_L1))，及slave_clock＝NOT(global_clock AND NOT(gt_L2))ANDNOT(go_L1)。
37.如權(quán)利要求35所述的LCB，用于在由全局時(shí)鐘(global_clock)定時(shí)的主從管道中選擇性地選通通常透明的管道級(jí)，所述LCB在所述通常透明的管道級(jí)中既支持透明模式，又支持不透明模式，本地時(shí)鐘還響應(yīng)下述關(guān)系集合提供給所述通常透明的管道級(jí)master_clock＝NOT(NOT(global_clock)AND NOT(gt_L1)ANDNOT(go_L1))，及slave_clock＝NOT(global_clock AND NOT(gt_L2))ANDNOT(go_L1 AND NOT(gt_L2))。
全文摘要
一種同步管道片斷和包括該片斷的集成電路(IC)。片斷包括輸入級(jí)、輸出級(jí)和至少一個(gè)中間級(jí)。與每個(gè)級(jí)關(guān)聯(lián)的占位符鎖存器指示有效級(jí)數(shù)據(jù)是否在級(jí)中。本地時(shí)鐘緩沖器提供選通對(duì)應(yīng)級(jí)的本地時(shí)鐘。輸入和輸出級(jí)通常是不透明的，而中間級(jí)通常是透明的。數(shù)據(jù)項(xiàng)在輸入和輸出級(jí)之間本地異步通過(guò)，并且由不透明選通的中間級(jí)隔開(kāi)。
文檔編號(hào)G06F9/38GK1950782SQ200580013802
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者漢斯·M.·雅各布森 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司