在傳統設計中
，所有計算機運算(算法
、邏輯和存儲進程)都參考時鍾同步執行

，時鍾增加了設計中的時序電路數量。在這個電池供電設備大行其道的移動時代
，為了節省每一毫瓦(mW)的(de)功(gong)耗(hao)
，廠(chang)商(shang)間(jian)展(zhan)開(kai)了(le)殘(can)酷(ku)的(de)競(jing)爭(zheng)，因(yin)此(ci)將(jiang)電(dian)路(lu)分(fen)成(cheng)多(duo)個(ge)電(dian)源(yuan)域(yu)並(bing)根(gen)據(ju)要(yao)求(qiu)關(guan)閉(bi)它(ta)們(men)

，並(bing)且(qie)在(zai)設(she)計(ji)每(mei)個(ge)時(shi)序(xu)電(dian)路(lu)的(de)同(tong)時(shi)節(jie)省(sheng)功(gong)耗(hao)，這(zhe)兩(liang)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。時(shi)序(xu)電(dian)路(lu)(如計數器和寄存器)在現代設計中無處不在。本文以約翰遜計數器為例介紹了如何采用有效門控時鍾來設計高能效的時序電路。

 

約翰遜計數器係統，可同步提供多種特殊類型的數據序列
，這對於大多數重要應用(如D/A轉換器、FSM和時鍾分頻器)來說至關重要。為支持不同頻率(從MHz 到 GHz)的模塊，越來越多的IP集ji成cheng到dao片pian上shang係xi統tong，因yin此ci
，設she計ji中zhong在zai不bu同tong層ceng級ji實shi施shi了le許xu多duo可ke支zhi持chi多duo個ge分fen頻pin因yin子zi的de時shi鍾zhong分fen頻pin器qi。本ben文wen中zhong，我wo們men介jie紹shao了le一yi款kuan節jie能neng設she計ji，即ji用yong帶dai有you門men控kong時shi鍾zhong的de多duo級ji可ke編bian程cheng約yue翰han遜xun計ji數shu器qi係xi統tong來lai取qu代dai多duo個ge時shi鍾zhong分fen頻pin器qi，該gai計ji數shu器qi可ke提ti供gong8至任何偶數值(在本文中為38)的時鍾分頻因子。下麵，我們將探討實施細節和該技術的優劣。

 

 

圖1給出的是一款傳統4位上升沿約翰遜計數器。約翰遜計數器隻不過是修改過的移位寄存器，其最後一個D觸發器的反相輸出作為第一個D觸發器的輸入。所有其他觸發器將接收上一個觸發器所提供的輸出。

圖1：傳統約翰遜計數器。

 

如表1所示，在所有的縱列中
，4個連續的“0”後麵都跟隨著4個連續的“1”，dansuoyouzongliedouweiyubutongdejieduan。yuehanxunjishuqiketongbuchuangjianyigetedingdeshujumoshi。gaishujumoshizaijianmoshifeichangyouyong，yinweitakeyishiyongrenhechoutoujiukeyichanshengyigeyoubutongjieduandeshizhongyangshidemoshi。ciwai，congbiaozhongkeyituidaochu，yuehanxunjishuqizhishiyongleN個觸發器提供2N個狀態

，因此，與標準環形計數器相比
，約翰遜計數器僅需要一半數量的觸發器便可實現同樣的MOD。

表1：約翰遜計數器的狀態表。

 

 

如圖1所示，這種電路最大的缺點是不可配置，因此，不能改變時鍾分頻因子。一個N觸發器設計隻能產生2N個(ge)周(zhou)期(qi)的(de)時(shi)鍾(zhong)。需(xu)要(yao)預(yu)先(xian)將(jiang)固(gu)定(ding)數(shu)量(liang)的(de)觸(chu)發(fa)器(qi)加(jia)入(ru)到(dao)設(she)計(ji)中(zhong)，才(cai)能(neng)產(chan)生(sheng)固(gu)定(ding)周(zhou)期(qi)的(de)時(shi)鍾(zhong)。這(zhe)大(da)大(da)阻(zu)礙(ai)了(le)特(te)定(ding)時(shi)鍾(zhong)的(de)設(she)計(ji)

，而(er)且(qie)多(duo)個(ge)這(zhe)樣(yang)的(de)設(she)計(ji)
，需(xu)要(yao)多(duo)種(zhong)分(fen)頻(pin)因(yin)子(zi)來(lai)進(jin)行(xing)分(fen)頻(pin)。

 

另外，該設計非常耗能，並且也沒有機製可通過高效門控時鍾來節省動態功耗。如表1所示

，Q3隻能在時鍾脈衝2和時鍾脈衝6中(zhong)改(gai)變(bian)其(qi)輸(shu)出(chu)，對(dui)於(yu)所(suo)有(you)其(qi)他(ta)時(shi)鍾(zhong)而(er)言(yan)，觸(chu)發(fa)器(qi)一(yi)次(ci)又(you)一(yi)次(ci)地(di)存(cun)儲(chu)了(le)相(xiang)同(tong)的(de)數(shu)據(ju)。這(zhe)導(dao)致(zhi)在(zai)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)內(nei)產(chan)生(sheng)了(le)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)功(gong)耗(hao)，而(er)采(cai)用(yong)適(shi)合(he)的(de)門(men)控(kong)時(shi)鍾(zhong)可(ke)解(jie)決(jue)該(gai)問(wen)題(ti)。

 

 

任何時序電路都可通過調整結構和有效的門控時鍾加以增強。圖1中所示的約翰遜計數器在圖2種得到了增強，可以靈活地支持多種分頻因子

，產生可變化的輸出頻率。

 

為了使其可編程，觸發器的多個延遲階段都加入了所需的組合邏輯，以根據所需分頻因子進行選擇。

 

圖2顯示的就是一款低功耗可編程約翰遜計數器。該電路包括級聯延遲階段B1、B2
、B3、B4、逆變器I、參考時鍾輸入CLK、門控時鍾邏輯CGL，以及控製邏輯(分頻器和減法器)，可根據要求選擇觸發器組合。

圖2：低功耗多級可編程約翰遜計數器。

 

在圖2所示的修改後的約翰遜計數器電路中，我們采用了19個D觸發器，這些觸發器提供8至38以內的偶數值的分頻因子。可通過添加額外的觸發器和多路複用器
，使所需分頻因子進一步增加至任何偶數值。多個路徑可將觸發器 “a、j
、o和r” 的輸出連接至相應的多路複用器輸入，例如，分流路徑將觸發器 “a”的輸出連接至第一個多路複用器的第一個輸入，延遲路徑則將觸發器“a”的輸出[經過一組觸發器(b、c
、d
、e、f、g
、h、i)]連(lian)接(jie)至(zhi)第(di)一(yi)個(ge)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)的(de)第(di)二(er)個(ge)輸(shu)入(ru)。這(zhe)種(zhong)實(shi)施(shi)方(fang)案(an)允(yun)許(xu)選(xuan)擇(ze)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)輸(shu)出(chu)
，使(shi)電(dian)路(lu)具(ju)備(bei)所(suo)需(xu)的(de)可(ke)配(pei)置(zhi)性(xing)，可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)多(duo)個(ge)分(fen)頻(pin)因(yin)子(zi)。

 

如圖3所示，為了節省功耗
，控製電路輸出饋入CGL中
，以根據所需分頻因子啟用或禁用“延遲路徑觸發器”的時鍾。當分頻因子為2N時
，需要N個ge觸chu發fa器qi提ti供gong所suo需xu的de時shi鍾zhong頻pin率lv。為wei了le促cu進jin多duo路lu複fu用yong器qi輸shu入ru的de選xuan擇ze，並bing為wei時shi鍾zhong門men控kong邏luo輯ji啟qi用yong所suo選xuan的de輸shu入ru，我wo們men添tian加jia了le一yi個ge主zhu要yao由you減jian法fa器qi構gou成cheng的de控kong製zhi邏luo輯ji。該gai減jian法fa器qi可ke根gen據ju用yong戶hu所suo提ti供gong的de分fen頻pin因yin子zi，將jiangN-4作為輸出提供
，並且減法器(sel[3:0])的二進製輸出位數每個都可作為4個多路複用器(1st、2nd、3rd、4th)的相應選擇線路，並使CGL以高效的方式對觸發器的時鍾進行門控。

 

這有效地實現了設計的可編程化，並降低了計數器的動態功耗。

圖3：電路運算說明圖。

 

 

以分頻因子為10(即2N=10)的電路為例。由於傳統約翰遜計數器在分頻因子為2N時需要N個觸發器，要使分頻因子為10
，電路中需要2N/2 = 10/2 = 5個觸發器。分頻器電路的輸出是2N/2 = 5，這時減法器的輸出則為(5-4) = 1
，再饋入多路複用器的選擇線路
，其二進製表示為0001。這個4位sel[3:0]=0001信號極為重要

，因為它不僅控製著門控時鍾邏輯，還在分流和延遲路徑中做出選擇。

圖4：分頻因子為10的電路運算。

 

在這種情況下，隻有Sel[0]會變為1並啟用s觸發器的時鍾，並且同樣地
，sel[3]、sel[2]、sel[1]將相應禁用 (b、c、d、e、f、g、h、i)、(k, l, m, n)、(p、q)觸發器的時鍾，見圖4中突顯部分。另外需要注意的是，“a, j, o 和r”觸發器將始終啟用。這樣一來，不僅啟用了所需的觸發器
，並且該電路可在第4個多路複用器的輸出上獲得所需的輸出時鍾。因此
，在這個示例中，共有5個觸發器接收到時鍾，其他觸發器的時鍾將自動被禁用。

 

我們對上述計數器進行了模擬，其結果以RTL波形的形式呈現在圖5中。根據圖5可以推出：修改後的計數器采用sel[3:0]作為4’h0001
，將一個100 MHz的時鍾進行分頻，提供10 MHz的輸出。

圖5：分頻因子為10的波形。

 

推薦的電路可實現各種組合，表2列出了多路複用器所選擇的輸入。

表2：不同分頻因子的多路複用器和CGIC的選擇邏輯。

 

 

本文所介紹的約翰遜計數器可根據分頻因子(範圍為8至38)進行編程，按提供給計數器組合邏輯的輸入所配置的提供一係列輸出頻率。

 

即ji使shi此ci計ji數shu器qi中zhong配pei備bei了le額e外wai的de硬ying件jian來lai實shi現xian可ke編bian程cheng性xing，但dan是shi該gai電dian路lu的de功gong耗hao通tong過guo一yi個ge邏luo輯ji提ti供gong的de有you效xiao門men控kong時shi鍾zhong進jin行xing控kong製zhi，該gai邏luo輯ji與yu在zai選xuan擇ze階jie段duan挑tiao選xuan多duo路lu複fu用yong器qi時shi所suo采cai用yong的de邏luo輯ji相xiang同tong，並bing啟qi用yong門men控kong時shi鍾zhong單dan元yuan。

 

yinci，jiangmenkongshizhongtianjiadaoshejineiyihou

，renhecongyiweijicunqichuansongzhijishuqideshixuluojidoukeyibiandegengjiagaoxiao，bingqiepianshangxitongdeyixiliecileidianluzongheqilaikeyijieshenggonghaobingyanchangshebeidianchishouming。

 

 

在(zai)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)，由(you)於(yu)架(jia)構(gou)師(shi)對(dui)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)耗(hao)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)嚴(yan)格(ge)，並(bing)且(qie)倍(bei)增(zeng)係(xi)數(shu)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)
，因(yin)此(ci)對(dui)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)級(ji)聯(lian)時(shi)鍾(zhong)分(fen)頻(pin)器(qi)的(de)需(xu)求(qiu)也(ye)隨(sui)之(zhi)加(jia)大(da)，但(dan)這(zhe)種(zhong)分(fen)頻(pin)器(qi)會(hui)使(shi)電(dian)路(lu)消(xiao)耗(hao)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)耗(hao)，並(bing)且(qie)占(zhan)用(yong)更(geng)大(da)的(de)芯(xin)片(pian)麵(mian)積(ji)。結(jie)構(gou)調(tiao)整(zheng)後(hou)的(de)設(she)計(ji)卻(que)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)更(geng)加(jia)輕(qing)鬆(song)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，與(yu)傳(chuan)統(tong)電(dian)路(lu)相(xiang)比(bi)，重(zhong)組(zu)後(hou)的(de)電(dian)路(lu)可(ke)支(zhi)持(chi)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)
，同(tong)時(shi)消(xiao)耗(hao)更(geng)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)。該(gai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)還(hai)可(ke)輕(qing)鬆(song)應(ying)用(yong)至(zhi)各(ge)種(zhong)其(qi)他(ta)設(she)計(ji)中(zhong)
，使(shi)其(qi)他(ta)設(she)計(ji)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)節(jie)能(neng)。