電源門控概述、原理、設(shè)計流程

前面講解了門級功耗的優(yōu)化方法，包括靜動態(tài)和總體的功耗?，F(xiàn)在來記錄一下門級層次（有點書也說是在系統(tǒng)級）常用的一種低功耗方法——電源門控。

①電源門控概述與原理

電源門控是指芯片中某個區(qū)域的供電電源被關(guān)掉，即該區(qū)域內(nèi)的邏輯電路的供電電源斷開。電源門控(Power Gating)的設(shè)計如下圖所示：

如果某一模塊在一段時間內(nèi)不工作，可以關(guān)掉它的供電電源（關(guān)掉供電電源可以使用MTCMOS開關(guān)，通常在使用后端工具進行布局布線時加入MTCMOS，這屬于后端知識，這里不進行介紹）。斷電后，設(shè)計進入睡眠模式，其漏電功率很小。喚醒時，為了使模塊盡快恢復(fù)工作模式，需要保持關(guān)電前的狀態(tài)。保持寄存器(retention register)可用于記憶狀態(tài)。使用保持寄存器設(shè)計電源門控如下圖所示：

下面來解釋一下上面的設(shè)計：

·在睡眠模式，寄存器的電源Vdd2被切斷，因此它的漏電功耗極小;這時候僅僅保持鎖存器處于工作狀態(tài)，寄存器的值保留在鎖存器里。由于鎖存器是用高閾值電壓的晶體管組成，漏電功耗很低。

·當Restore信號被激活時，寄存器的電源Vdd2被加上，保留在鎖存器里的值被載入到寄存器。寄存器在工作(活躍)狀態(tài)時，它作為一般的寄存器工作。Save/Restore引腳也稱為電源門控引腳(power gating pins)，它們被用于把電路置于適當?shù)哪Ｊ健?/p>

·電源門控模塊的輸出端需要使用隔離單元(Isolation Cell)（我們在前面講過），因為在睡眠模式時，模塊的輸出為不確定值。為了保證在睡眠模式時，下一級的輸入不會懸空，插入隔離單元，提供一個"1”或”0”的輸出，使下一級的輸入為確定的邏輯值，如下所示：

ISO為睡眠控制信號，用于控制隔離單元的運作。電路在正常工作模式時，ISO=0,ISO_ IN=IN。電路在睡眠模式時，ISO=1時，如果使用下面左圖的單元作為隔離單元，輸出邏輯為“1"；如使用下面右圖的單元作為隔離單元，則輸出邏輯為“0"：

②工藝庫中的電源門控單元

進行電源門控設(shè)計，需要用綜合庫的支持。綜合庫中的電源門控單元的庫模型如下所示：

下面是庫模型的部分解釋：

·單元級屬性(Cell level attribute)

power_gating_cell:"type"，"type”不可以是“none”或空字符，它鑒別所描述的保持寄存器的類型。本例中保持寄存器的類型為PG_1。

·電源門控寄存器的功能描述

它是保持寄存器在活躍模式的功能。

·引腳級的屬性(Pin level attribute)

power_pin_1~ power_pin_5列出了現(xiàn)有的電源門控信號的名字。例如，power_pin_1可以用于定義為睡眠(sleep)信號，power_pin_2可以用于定義叫醒(wake)信號。power_pin_[1-5]信號的默認值是寄存器處于非工作(disable)狀況的值，可以是“0”或“1"。例如，如果當power_pin_1的邏輯值為“1”時，電路進入睡眠模式，那么，其非工作(disable)狀況的值應(yīng)該是邏輯“0”。

③電源門控設(shè)計流程

了解了電源門控的原理和綜合庫的電源門控單元，下面我們就來介紹電源門控的設(shè)計流程。使用電源門控的設(shè)計流程和相應(yīng)的腳本如下所示：

下面進行解釋一下部分命令：

·腳本中使用set_power_gating_style命令來映射保持寄存器。例如對于下面的代碼

······

always@ (posedge clk) begin:sub_block_1

g=d;

end

······

set_power_gating -style -type PG_1 -hdl_block sub_block_1命令可以把代碼中的寄存器映射為保持寄存器。選項“-type PG_1”指定使用庫中類型為PG_1的保持寄存器。選項“-hdl_block sub_block_1”指定把RTL代碼中進程(process)名為“sub_block_1"中的所有寄存器用類型為PCG_ 1的保持寄存器代替。

· 腳本中使用hookup_power_gating_ports命令來自動插入power_pin[1-5]端口和層次模塊的引腳。同類功耗引腳的端口或引腳會被連接在一起。例如屬性同為“power_pin_1”的引腳將被連接在一起，其默認名為“power_pin_1"。下圖為執(zhí)行hookup_power_gating_ports命令后設(shè)計中插入端口和層次模塊的引腳。我們可以使用選項“-default_port_naming_style”和“-port_naming_styles”來改變端口和/或?qū)哟文K引腳的命名：

下面的腳本用set_power_gating_signal命令指定把電源門控引腳與現(xiàn)有的端口或?qū)哟我_連接起來，如下所示：

set_power_gating_signal -power_pin_index 1 [get_ports Save]

set_power_gating_signal -power_pin_index 2 [get_pins A/p1]

······

hookup_power_gating_ports

結(jié)果如下所示：

·最后，我們可以用report_power_gating命令報告設(shè)計中的電源門控單元，如下所示：

電源門控就到這里了，低功耗設(shè)計入門也快接近尾聲了...