本發(fā)明涉及DSP低功耗技術(shù)中的動態(tài)功耗降低的領(lǐng)域，具體涉及一種門級的時鐘門控方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字信號處理芯片(Digital Signal Processor，DSP)是一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號算法。正是由于其強(qiáng)大的信號處理能力以及快速的信號處理速度，DSP正廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、通信、軍事等各個領(lǐng)域。

隨著各個領(lǐng)域的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也大幅增加，對DSP芯片的要求也越來越朝著小尺寸、低功耗、性能高的方向發(fā)展，但是更高的運(yùn)算速度也必然會導(dǎo)致功耗的增加。尤其對于便攜式手持設(shè)備而言，續(xù)航能力成為衡量產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵因素之一，這些便攜式產(chǎn)品的供電往往依賴于自帶的電池，電池容量的大小決定了此類設(shè)備的續(xù)航時間。這些年來相對于便攜式產(chǎn)品的發(fā)展，電池儲能技術(shù)一直未取得重大進(jìn)展。因此，高性能低功耗的架構(gòu)已逐漸成為主流設(shè)計(jì)要求，低功耗技術(shù)也隨之不斷演進(jìn)，需要我們不斷探索實(shí)現(xiàn)。

目前，SoC芯片以時序電路為主，而所謂的時序電路是根據(jù)主時鐘的同步翻轉(zhuǎn)進(jìn)行操作的。在芯片正常運(yùn)行過程中，時鐘網(wǎng)絡(luò)功耗通常占據(jù)了芯片整體功耗的50％以上。同時時鐘信號末端還連接著大量的寄存器與鎖存器，這些時序邏輯單元同樣存在著不可忽略的動態(tài)功耗消耗。時鐘門控技術(shù)可以有效地降低時鐘信號的翻轉(zhuǎn)率，從而降低電路的動態(tài)功耗。并且時鐘門控技術(shù)可以在不影響芯片正常工作，同時保證系統(tǒng)性能的前提下，有效的降低時鐘網(wǎng)絡(luò)上的功耗。因此相對于其他低功耗技術(shù)而言，時鐘門控技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，成為一項(xiàng)非常有效的降低微控制器功耗的方法。隨著集成電路的集成度與設(shè)計(jì)規(guī)模越來越大，和EDA工具支持的時鐘門控技術(shù)的成熟，大部分的DSP內(nèi)核的設(shè)計(jì)均是采用基于EDA工具的時鐘門控的實(shí)現(xiàn)。但是當(dāng)EDA工具無法從存在的邏輯中推導(dǎo)出時鐘門控的使能信號時，那么這部分的觸發(fā)器將無法實(shí)現(xiàn)時鐘門控，造成該部分邏輯的動態(tài)功耗的浪費(fèi)。對已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了時鐘門控的觸發(fā)器，時鐘門控的效率依然有可優(yōu)化的空間。而綜合工具主要是通過邏輯功能的推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)部分觸發(fā)器的門控，所以很難保證很高的時鐘門控的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于活動相似度的觸發(fā)器分組時鐘門控方法，以提高數(shù)字信號處理芯片內(nèi)核中的時鐘門控的效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于活動相似度的觸發(fā)器分組時鐘門控方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1，基于數(shù)字信號處理芯片內(nèi)核典型工作模式下的門級仿真，得到各個觸發(fā)器在典型工作模式下的活動性向量，通過統(tǒng)計(jì)處理觸發(fā)器的活動性向量得到觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率、觸發(fā)器間的相關(guān)性；

步驟2，使用布局工具進(jìn)行初步布局，獲得數(shù)字信號處理芯片內(nèi)核中觸發(fā)器在布局中的初始位置；

步驟3，利用步驟1中得到的翻轉(zhuǎn)率信息與步驟2中得到的觸發(fā)器位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的分組；

步驟4，利用步驟3得到的觸發(fā)器分組信息，采用異或門自門控的方法實(shí)現(xiàn)時鐘門控；

步驟5，對產(chǎn)生的新網(wǎng)表做新的布局，并實(shí)現(xiàn)時鐘樹綜合與功耗仿真驗(yàn)證。

步驟1中，所述仿真是在典型操作模式下的測試平臺做大量的仿真。

步驟3中，分析時鐘門控效率與觸發(fā)器分組之間的關(guān)系，根據(jù)可門控周期與觸發(fā)器的活動相似度間的關(guān)系，建立對應(yīng)的圖論模型，并采用最小權(quán)完美匹配迭代算法，得到觸發(fā)器的最優(yōu)分組。

步驟3中，觸發(fā)器的分組方法具體為：各個觸發(fā)器對應(yīng)模型中各個頂點(diǎn)，先剔除翻轉(zhuǎn)率很高的觸發(fā)器；分組對應(yīng)連線，剔除擺放太遠(yuǎn)的觸發(fā)器組；相關(guān)性對應(yīng)權(quán)重，相關(guān)性是觸發(fā)器的活動相似度，活動相似度通過兩個觸發(fā)器的活動性向量取異或得到；建立模型后，采用最小權(quán)完美匹配算法實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的分組；通過迭代處理，實(shí)現(xiàn)多個觸發(fā)器同組門控，迭代次數(shù)根據(jù)時鐘門控的扇出數(shù)確定；每次迭代需重新定義頂點(diǎn)、連線與權(quán)重，將已經(jīng)得到的觸發(fā)器組作為一個頂點(diǎn)，觸發(fā)器組之間的匹配作為新的連線，權(quán)重的設(shè)定通過頂點(diǎn)間取異或得到。

步驟4中，根據(jù)分組結(jié)果對門級網(wǎng)表進(jìn)行修改；修改包括：門控邏輯的插入與門控邏輯單元之間的連接；修改的同時也要保證滿足時序要求。

有益效果：通過本發(fā)明所提供的方法，實(shí)現(xiàn)DSP內(nèi)核的觸發(fā)器分組時鐘門控，可有效的提高時鐘的可門控周期，從而降低動態(tài)功耗。

附圖說明

圖1是時鐘門控優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖；

圖2是優(yōu)化時鐘門控示意圖；

圖3是觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；

圖4是觸發(fā)器相關(guān)性統(tǒng)計(jì)；

圖5是同組觸發(fā)器共同使能產(chǎn)生門控信號；

圖6是觸發(fā)器的分組流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提供了一種基于活動相似度的觸發(fā)器分組時鐘門控方法，主要解決的問題是：如何更合理的對觸發(fā)器分組門控，減少冗余時鐘周期。而觸發(fā)器的分組，不僅需要考慮觸發(fā)器的活動相似度，還需要將同組觸發(fā)器距離因素考慮進(jìn)去。

本發(fā)明包括以下幾個步驟：

(1)對綜合得到的門級網(wǎng)表仿真，獲得各觸發(fā)器的活動性向量。由于DSP內(nèi)核具有觸發(fā)器活動性固定與翻轉(zhuǎn)率低等特點(diǎn)，所以在典型操作模式下測試平臺做大量的仿真。統(tǒng)計(jì)處理觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)活動性向量可得到觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率、觸發(fā)器間的相關(guān)性等信息。

(2)使用布局工具進(jìn)行初步布局，獲得DSP內(nèi)核中觸發(fā)器在布局中的初始位置。

(3)利用第(1)步中得到的翻轉(zhuǎn)活動性信息與第(2)步中得到的觸發(fā)器位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的分組算法。

(4)利用第(3)步得到的觸發(fā)器分組信息，采用異或門自門控的方法實(shí)現(xiàn)時鐘門控。主要是通過門級網(wǎng)表的修改實(shí)現(xiàn)，主要的修改包括：門控邏輯的插入與門控邏輯單元之間的連接。

(5)對產(chǎn)生的新網(wǎng)表做新的布局，并實(shí)現(xiàn)時鐘樹綜合與功耗仿真驗(yàn)證等工作。

步驟(3)中的如何實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的分組是該方法的重點(diǎn)。為了合理的觸發(fā)器分組，需重點(diǎn)討論：各組門控的扇出數(shù)與觸發(fā)器的分組原則。

假如對每個觸發(fā)器分別門控，那么可以得到最大的門控周期，但是同時需添加大量的門控單元與使能邏輯單元，可能反而會導(dǎo)致功耗的增加。所以，通常會將多個觸發(fā)器作為一組門控，以達(dá)到最優(yōu)時鐘門控效果。但是若單組觸發(fā)器的個數(shù)過多時，時鐘門控的效率必然會降低。在假設(shè)兩兩觸發(fā)器均不相關(guān)的情況下，基于理想的時鐘樹結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)扇出數(shù)與觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率直接相關(guān)?？紤]到DSP內(nèi)核的翻轉(zhuǎn)率很低，且同組觸發(fā)器活動相似度較高，所以一般觸發(fā)器的扇出數(shù)取用8到16之間。

觸發(fā)器分組的原則主要考慮的物理量有：同組觸發(fā)器的活動相似度、同組觸發(fā)器距離的遠(yuǎn)近、時鐘門控的扇出數(shù)。如何合理的將觸發(fā)器間的相關(guān)性與觸發(fā)器的物理位置信息用到觸發(fā)器的分組中，實(shí)現(xiàn)功耗的降低是時鐘門控的關(guān)鍵?？偨Y(jié)觸發(fā)器分組原則如下：

(1)根據(jù)相關(guān)觸發(fā)器的平均翻轉(zhuǎn)率，確定時鐘門控的扇出數(shù)。并基于該扇出數(shù)，對觸發(fā)器分組。

(2)擺放太遠(yuǎn)的觸發(fā)器一定不會放到同一門控組中。若觸發(fā)器的分組門控導(dǎo)致時鐘繞線明顯增加，那么時鐘線上的負(fù)載電容太大，可能會導(dǎo)致功耗的增加，而不是功耗的降低。

(3)不對翻轉(zhuǎn)率很高的觸發(fā)器門控。若將翻轉(zhuǎn)率很高的觸發(fā)器作相似的分組門控，那么可能會降低時鐘的可門控周期。

(4)觸發(fā)器的分組要同時考慮觸發(fā)器的距離與活動相似度。同組的觸發(fā)器最好能夠擺放在相近位置。

在觸發(fā)器分組的具體實(shí)現(xiàn)中，可以將該分組問題轉(zhuǎn)化為圖論中的集合分割問題，一般解決集合的最小權(quán)重完美匹配的方法均可應(yīng)用于觸發(fā)器的分組門控中。最小權(quán)完美匹配的算法理論上可以較多的降低冗余周期，分別兩兩分組，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)觸發(fā)器分組。然后將同組的觸發(fā)器看做一組，以此類推。那么可以實(shí)現(xiàn)同組2的n次方個觸發(fā)器的最優(yōu)匹配。

如圖6所示為觸發(fā)器的分組流程圖。各個觸發(fā)器對應(yīng)模型中各個頂點(diǎn)，一般先剔除翻轉(zhuǎn)率很高的觸發(fā)器，因?yàn)榉D(zhuǎn)率很高的觸發(fā)器門控效率偏低，可能會導(dǎo)致同組觸發(fā)器冗余時鐘周期增多。頂點(diǎn)個數(shù)的減少也有利于降低算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。分組對應(yīng)連線，剔除擺放太遠(yuǎn)的觸發(fā)器組。因?yàn)閷⑼M觸發(fā)器擺放太遠(yuǎn)，有可能增大時鐘線上的負(fù)載電容，可能會導(dǎo)致功耗的增加，連線的減少也有利于算法的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)性對應(yīng)權(quán)重，相關(guān)性主要是觸發(fā)器的活動相似度，活動相似度主要是通過兩個觸發(fā)器的活動性向量取異或得到。建立模型后，采用最小權(quán)完美匹配算法實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的分組。由于最小權(quán)完美匹配的方法實(shí)現(xiàn)的是兩兩頂點(diǎn)的分組，所以可以通過迭代處理，實(shí)現(xiàn)多個觸發(fā)器同組門控，迭代次數(shù)是根據(jù)時鐘門控的扇出數(shù)確定的。每次迭代需重新定義頂點(diǎn)、連線與權(quán)重，將已經(jīng)得到的觸發(fā)器組作為一個頂點(diǎn)，觸發(fā)器組之間的匹配作為新的連線，權(quán)重的設(shè)定通過頂點(diǎn)間取異或得到。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

選用CEVA公司的一款DSP IP內(nèi)核CEVA-TL421作為設(shè)計(jì)驗(yàn)證對象，并采用Synopsys公司的綜合工具DC實(shí)現(xiàn)綜合時鐘門控?；诨顒酉嗨贫鹊臅r鐘門控，首先需得到觸發(fā)器的活動性信息。通過對綜合后的門級網(wǎng)表在典型模式下的大量仿真，得到觸發(fā)器活動性文件。該文件主要包含三個部分：文件信息部分、各個觸發(fā)器引腳代號、各個周期觸發(fā)器引腳翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)?？梢詫⒌诙c第三兩個部分分割成兩個文件分別處理。采用Perl腳本對這兩個文件分別做分割匹配，以匹配相同引腳的方式統(tǒng)計(jì)觸發(fā)器的活動性向量。對觸發(fā)器引腳代號文件，以各個觸發(fā)器為分割；對各個周期觸發(fā)器引腳翻轉(zhuǎn)文件，以周期為分割。統(tǒng)計(jì)得到的活動性向量為一個二進(jìn)制向量，在該觸發(fā)器活動性向量中，每位代表一個時鐘周期，若觸發(fā)器在某個時鐘周期有翻轉(zhuǎn)，則該時鐘周期為記為1，否則該位記為0。各個觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率計(jì)算就簡單得多了。由于活動性向量中1代表觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，向量的位數(shù)，代表仿真的周期，所以每個觸發(fā)器的活動向量中的1的個數(shù)，與該向量的位數(shù)的比值，就是該觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率。對兩兩觸發(fā)器的相似度，將兩兩觸發(fā)器做按位異或處理可得到一個新的向量，該向量中的1的個數(shù)，與該向量的位數(shù)的比值，即為這兩個觸發(fā)器的相似度，可用百分比表達(dá)，百分比比值越高證明兩兩觸發(fā)器活動相似度越高。

為了方便分析與衡量觸發(fā)器的時鐘門控的門控效率。在圖2中，虛線框內(nèi)為基于活動相似度的時鐘門控優(yōu)化插入的時鐘門控單元。在時鐘門控優(yōu)化前，該部分是不存在的。在綜合時鐘門控中，即虛線框不存在時，有以下幾個參數(shù)：

參數(shù)1：Q的總翻轉(zhuǎn)數(shù)/clk的總翻轉(zhuǎn)數(shù)；

參數(shù)2：1-clk_g的總翻轉(zhuǎn)數(shù)/clk的總翻轉(zhuǎn)數(shù)；

參數(shù)3：Q的總翻轉(zhuǎn)數(shù)/clk_g總翻轉(zhuǎn)數(shù)；

其中，參數(shù)1為該參數(shù)為觸發(fā)器的真實(shí)翻轉(zhuǎn)率，一般該參數(shù)越小，時鐘門控會越高效；參數(shù)2可用于衡量綜合實(shí)現(xiàn)的時鐘門控效率，該值越大說明綜合實(shí)現(xiàn)的門控效率越高；參數(shù)3為在門控狀態(tài)下觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率，該值必定大于觸發(fā)器的真實(shí)翻轉(zhuǎn)率，在下面實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)器的分組門控中，所指的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率均是指該翻轉(zhuǎn)率。如果同一門控單元門控的大多數(shù)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率太大，則說明綜合實(shí)現(xiàn)的門控效率很高，該組不適合繼續(xù)對時鐘門控優(yōu)化。

如果實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的時鐘門控，則虛線框內(nèi)部分存在。有以下兩個參數(shù)：

參數(shù)4：1-clk_g’的總翻轉(zhuǎn)數(shù)/clk_g的總翻轉(zhuǎn)數(shù)；

參數(shù)5：1-clk_g’的總翻轉(zhuǎn)數(shù)/clk總翻轉(zhuǎn)數(shù)；

其中，參數(shù)4可用于衡量優(yōu)化的時鐘門控效率，該值越大說明優(yōu)化的時鐘門控效率越高；參數(shù)5為優(yōu)化的時鐘門控實(shí)現(xiàn)后，時鐘門控效率，該值可與參數(shù)參數(shù)2對比，若該值遠(yuǎn)大于參數(shù)2，則說明時鐘門控的優(yōu)化越高。若該值與參數(shù)2相當(dāng)，則說明時鐘門控的效果不明顯，可取消該部分觸發(fā)器的時鐘門控優(yōu)化。

對于參數(shù)1，即所有觸發(fā)器的真實(shí)翻轉(zhuǎn)率統(tǒng)計(jì)，可分別統(tǒng)計(jì)出在各個翻轉(zhuǎn)率區(qū)間的觸發(fā)器個數(shù)。將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果繪制成柱狀圖如圖3所示，該柱狀圖的橫坐標(biāo)為觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率區(qū)間，縱坐標(biāo)為觸發(fā)器的個數(shù)。從圖中可以明顯看出，大部分觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率都在5％以下，且可求得所有觸發(fā)器的平均翻轉(zhuǎn)率為2.3％。由此可見觸發(fā)器的總體翻轉(zhuǎn)率偏低，且大部分觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)率都在較低的翻轉(zhuǎn)率區(qū)間內(nèi)。

對綜合實(shí)現(xiàn)的同組門控的觸發(fā)器統(tǒng)計(jì)其兩兩相關(guān)度，觸發(fā)器的兩兩翻轉(zhuǎn)相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)如圖4所示，注意這里指的翻轉(zhuǎn)率是指在時鐘門控下的翻轉(zhuǎn)率。顯然，大部分兩兩觸發(fā)器之間的相似度是接近1的，這就表明基于活動相似度的時鐘門控可有效的減少時鐘的冗余翻轉(zhuǎn)。但是仍然有很多非一致性的觸發(fā)器組存在，在圖4中被用圈畫出。在設(shè)計(jì)分組的過程中，要盡量避免出現(xiàn)兩個相關(guān)度低的觸發(fā)器出現(xiàn)在同一組的情況。對一個好的觸發(fā)器分組方法，也不應(yīng)該出現(xiàn)圈出區(qū)域內(nèi)的觸發(fā)器對出現(xiàn)在同一觸發(fā)器組中。

由此可見，綜合門控中的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率依然較低，且高扇門控單元門控的觸發(fā)器占比很高，所以在綜合實(shí)現(xiàn)的時鐘門控的基礎(chǔ)上，基于翻轉(zhuǎn)率對時鐘門控優(yōu)化，可優(yōu)化的空間依然很高。

分析得到了綜合門控下可優(yōu)化的觸發(fā)器，那么就可以分別對綜合實(shí)現(xiàn)的時鐘門控下的觸發(fā)器組優(yōu)化處理。根據(jù)該組觸發(fā)器的平均翻轉(zhuǎn)率，確定門控單元單組門控的觸發(fā)器的數(shù)目之后，采用最小權(quán)值完美匹配迭代算法，基本能夠保證頂點(diǎn)在距離與冗余時鐘周期上的最佳匹配。在觸發(fā)器分組是直接不對翻轉(zhuǎn)率大于0.5的觸發(fā)器分組門控。但是得到的觸發(fā)器分組結(jié)果中，依然存在部分翻轉(zhuǎn)率較高的觸發(fā)器，影響時鐘門控效率。對比從得到的觸發(fā)器組中去除翻轉(zhuǎn)率在0.2到0.5之間的觸發(fā)器，對冗余時鐘周期的影響，若冗余時鐘周期減少，則從觸發(fā)器分組中去除該觸發(fā)器。

已經(jīng)得到了觸發(fā)器的分組規(guī)劃。還要將同組觸發(fā)器插入門控單元、設(shè)計(jì)使能信號。使能信號主要采用的是異或門自門控的方法，其設(shè)計(jì)電路如圖5所示。通過一個異或門對比觸發(fā)器的當(dāng)前數(shù)據(jù)輸入端與輸出端，則可以將該異或門的輸出信號作為時鐘的使能信號。若觸發(fā)器的當(dāng)前數(shù)據(jù)輸入與輸出不同，則下個觸發(fā)沿觸發(fā)器需時鐘信號驅(qū)動進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，此時異或門的輸出為1，觸發(fā)器的時鐘信號正常驅(qū)動。相反，若觸發(fā)器當(dāng)前輸入與輸出相同，那么異或門的輸出為0，時鐘信號將會關(guān)斷，觸發(fā)器的時鐘端沒有驅(qū)動。

同組觸發(fā)器靠近擺放有利于建立低功耗的時鐘樹，且有利于時序的滿足，所以可采用Synopsys公司的布局布線工具ICC自帶的bound約束的方法，實(shí)現(xiàn)同組觸發(fā)器的聚類擺放。同時，EDA工具實(shí)現(xiàn)的帶bound約束的布局優(yōu)化與面積優(yōu)化、功耗優(yōu)化、擁塞優(yōu)化是兼容的。其中面積優(yōu)化是指滿足時序的情況下，盡可能使用小尺寸的單元，功耗優(yōu)化是指通過替換單元實(shí)現(xiàn)泄露功耗等的優(yōu)化，擁塞優(yōu)化是指在發(fā)生布線擁塞的區(qū)域，降低標(biāo)準(zhǔn)單元利用率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。