二、RTL級(jí)低功耗設(shè)計(jì)

前面介紹了系統(tǒng)級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)，換句話(huà)說(shuō)就是在系統(tǒng)級(jí)降低功耗可以考慮的方面。系統(tǒng)級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)，主要是由系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、具有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員實(shí)現(xiàn)，雖然還輪不到我們?cè)O(shè)計(jì)，我們了解一下還是比較好的。我們前端設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)不在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)上面，而是在RTL級(jí)（及綜合）上面。下面我們就來(lái)介紹RTL編碼與邏輯綜合的低功耗設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是門(mén)控時(shí)鐘和操作數(shù)隔離技術(shù)。今天主要是講解操作數(shù)和一些常見(jiàn)的方法；門(mén)控時(shí)鐘由于內(nèi)容比較多，所以寫(xiě)在后面。

（1）并行與流水的選擇

對(duì)于某一個(gè)功能模塊，我們可以通過(guò)并行的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)流水線的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這兩種方法都是面積換速度，不過(guò)在一定的場(chǎng)合下可以降低功耗，需要靈活應(yīng)用，下面就簡(jiǎn)要地介紹一下這兩種方法（的使用）。

·并行處理常用于數(shù)字信號(hào)處理部分。采用并行處理，可以降低系統(tǒng)工作頻率，從而可能降低功耗。例如下圖中：

用兩個(gè)乘法器來(lái)取代原設(shè)計(jì)中的一個(gè)乘法器。這樣，時(shí)鐘頻率可以降低，系統(tǒng)的整體功耗會(huì)降低。采用這種方法，要在增加的面積與節(jié)省的功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

·流水線技術(shù)可以將一個(gè)較長(zhǎng)的組合路徑分成M級(jí)流水線。路徑長(zhǎng)度縮短為原始路徑長(zhǎng)度的1 /M。這樣，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)充/放電電容變?yōu)镃/M。如果在加入流水線之后，時(shí)鐘速度不變，則在一個(gè)周期內(nèi)，只需要對(duì)C/M進(jìn)行充/放電，而不是原來(lái)對(duì)C進(jìn)行充/放電。因此，在相同的速度要求下，可以采用較低的電源電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)的整體功耗可能會(huì)降低。例如對(duì)于下面的流水線設(shè)計(jì)：

假設(shè)在一個(gè)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵路徑是一個(gè)32bit X 32bit的乘法器。假設(shè)該乘法器的整體電容為C，工作頻率為f。

->不加流水線時(shí)，要達(dá)到此工作頻率，工作電壓應(yīng)該為V。

->當(dāng)采用流水線方式時(shí)，該路徑被分成兩部分。對(duì)于每一部分，整體電容變?yōu)镃/2。這樣，如果要達(dá)到原來(lái)的工作頻率f，工作電壓可以降為βV,這里β<1. 因此，整個(gè)系統(tǒng)可以工作在βV電壓下，整體功耗變?yōu)樵瓉?lái)的β^2倍，即：

（2）資源共享與狀態(tài)編碼

對(duì)于設(shè)計(jì)比較多算術(shù)運(yùn)算的設(shè)計(jì)，如果有同樣的操作在多處使用，那我們就可以避免相應(yīng)的運(yùn)算邏輯在多個(gè)位置重復(fù)出現(xiàn)。例如下面是沒(méi)有進(jìn)行共享資源的代碼：

進(jìn)行資源共享后的代碼如下所示：

上述代碼中，在各分支中只使用一個(gè)比較器和一個(gè)算術(shù)比較器就可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，因此極大地減少了功耗。

此外，對(duì)于一些變化非常頻繁的信號(hào)，我們利用數(shù)據(jù)編碼來(lái)降低開(kāi)關(guān)活動(dòng)(例如，用格雷碼比用二進(jìn)制碼翻轉(zhuǎn)更少，功耗更低)。

（3）操作數(shù)隔離

下面我們重點(diǎn)介紹另外一種常用的方法——操作數(shù)隔離（operand isolation，簡(jiǎn)稱(chēng)OI）的方法。

①操作數(shù)隔離的原理

我們先來(lái)看一個(gè)電路，如下所示：

上面的電路圖中，當(dāng)SEL_0≠1，SEL_1≠0時(shí)，加法器Add_0的運(yùn)算結(jié)果并不能通過(guò)mux_0和mux_1到達(dá)寄存器reg_0的輸入端口，也就是說(shuō)寄存器reg_0將不會(huì)保存加法器Add_0的運(yùn)算結(jié)果，這就意味著加法器Add_0的運(yùn)算是不必要的。為了節(jié)省功耗，我們可以用操作數(shù)分離的方法，在某些條件下，使加法器不工作，保持靜態(tài)，進(jìn)行操作隔離之后的電路如下所示：

因此，操作數(shù)隔離的原理就是：如果在某一段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)通路的輸出是無(wú)用的，則將它的輸入置成個(gè)固定值，這樣，數(shù)據(jù)通路部分沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，功耗就會(huì)降低。

下面我們?cè)倥e一個(gè)例子，對(duì)于下面的電路：

上圖所示的乘法器中，如果知道乘法操作延遲超過(guò)半個(gè)時(shí)鐘周期，則將乘法器的輸出與反相時(shí)鐘進(jìn)行與操作，可以保證在時(shí)鐘前半周期乘法器的輸出不會(huì)導(dǎo)致加法器的翻轉(zhuǎn)。這就是操作數(shù)隔離技術(shù)的基本思想。不過(guò)需要注意的是，采用這種方法，會(huì)增加面積，并影響到DFT，所以在使用前應(yīng)該對(duì)它的利弊進(jìn)行權(quán)衡。

②OI的物體選擇

OI并不是什么時(shí)候都可以進(jìn)行使用的（也就是說(shuō)不是所有的對(duì)象（物體）都符合操作數(shù)隔離的要求）。此外操作數(shù)隔離主要是：滿(mǎn)足一定條件下，通過(guò)指定操作數(shù)隔離的物體來(lái)實(shí)現(xiàn)的；指定操作數(shù)隔離的物體可以通過(guò)EDA工具自動(dòng)執(zhí)行（我們一般使用這種方法），也可以通過(guò)我們手動(dòng)進(jìn)行。下面我們就分別介紹一下這兩種方式。

·EDA工具自動(dòng)指定操作數(shù)隔離的物體

默認(rèn)情況下，如果操作數(shù)隔離的物體滿(mǎn)足下列條件，Power Compiler自動(dòng)選擇它(們)：

1.OI物體是算術(shù)運(yùn)算器或?qū)哟谓M合單元。

2.OI物體的輸出是選擇性地使用。

3.運(yùn)算器必須有非零的翻轉(zhuǎn)率。

4.僅當(dāng)工具進(jìn)行功耗估算后，用操作數(shù)隔離具有潛在的功耗可節(jié)省，才把它(們)作為OI物體。

自動(dòng)進(jìn)行操作數(shù)隔離的腳本如下:

set  do_operand_isolation    true

set_operand_isolation_style

read_saif

……

compile

·手動(dòng)指定操作數(shù)隔離的物體

除了使用EDA工具自動(dòng)選擇IO物體，我們也可以手動(dòng)進(jìn)行指定，然后進(jìn)行操作數(shù)隔離。手動(dòng)完成操作數(shù)隔離大致可以分為兩步：

A：設(shè)定操作數(shù)隔離的風(fēng)格為手動(dòng)（用戶(hù)自定義模式）：

在約束腳本中加入下面的命令，說(shuō)明是使用手動(dòng)的方式指定IO物體：

set_operand_isolation_style  -user_directives

B：手動(dòng)指定IO物體：

手動(dòng)指定IO物體有下面兩種方式：

1.用命令指定OI物體：set_opreand_isolation_cell，例如：

set_operand_isolation_cell  [get_cells   U1]

2.在RTL代碼中加綜合指引(pragma)

例如:下面的RTL中加入了綜合指令“//synopsys_isolate_operands"：

if(c2 == 1’b1)

o  = a + b ;

else

o  = c + d ; //synopsys_isolate_operands

完成前面A、B兩步的設(shè)置之后，在使用compile命令進(jìn)行綜合時(shí)，如果手動(dòng)指定的IO物體滿(mǎn)足前面的三點(diǎn)：

1.OI物體是算術(shù)運(yùn)算器或?qū)哟谓M合單元。

2.OI物體的輸出是選擇性地使用。

3.運(yùn)算器必須有非零的翻轉(zhuǎn)率。

那么綜合器就會(huì)進(jìn)行操作數(shù)隔離。

③操作數(shù)隔離的范圍

有些時(shí)候，我們需要在整個(gè)設(shè)計(jì)中指定某些模塊要做操作數(shù)隔離，某些模塊不要做操作數(shù)隔離。這時(shí)候我就可以使用set_operand_isolation_scope命令來(lái)實(shí)現(xiàn)了。例如下面的分層模塊中：

我們只對(duì)SUB2模塊中的操作數(shù)做隔離，其他的模塊不做操作數(shù)隔離，那么就可以使用下面的示例腳本:

set_operand_isolation_scope   [get_designs   tops]   false

set_operand_isolation_scope   [get_designs   sub1]   false

set_operand_isolation_style

······

④隔離邏輯的設(shè)置

實(shí)現(xiàn)操作數(shù)隔離需要插入相應(yīng)的隔離邏輯，比如與門(mén)或者或門(mén)之類(lèi)的。這些邏輯可以由EDA自動(dòng)選擇，也可以由我們自己手動(dòng)指定。下面就來(lái)介紹這兩種方式。

·默認(rèn)的EDA工具選擇

默認(rèn)情況下，隔離邏輯由工具自動(dòng)選擇。工具根據(jù)輸入數(shù)據(jù)連線的靜態(tài)概率(SP)來(lái)選擇適合的隔離邏輯為“AND'’門(mén)或“OR”門(mén)。使用的命令如下所示：

set_operand_isolation_style   -logic   adaptive

如果SP > 0.5，選擇“OR”門(mén)作為隔離邏輯

如果SP < 0.5，選擇“AND”門(mén)作為隔離邏輯

·手動(dòng)

我們可以手工地選擇隔離邏輯，例如下面命令指定用“AND”門(mén)作為隔離邏輯：

set_operand_isolation_style   -logic   AND

通過(guò)前面的描述，我們知道操作隔離的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)EDA全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)我們指定OI物體的半自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。完成操作數(shù)隔離后，我們可以用命令報(bào)告設(shè)計(jì)中的操作數(shù)隔離，例如：

report -operand_isolation  -isolated  -verb命令顯示如下的信息:

⑤操作數(shù)隔離的復(fù)原

加入隔離邏輯之后，如果時(shí)序變差達(dá)到不能滿(mǎn)足要求的情況，我們就要復(fù)原原來(lái)的邏輯。復(fù)原的方法也是有自動(dòng)和手動(dòng)的方法。

·自動(dòng)

一般情況下，如果加了隔離邏輯后，設(shè)計(jì)的時(shí)序變差了，即當(dāng)WNS（worst negative slack）大于指定的slack時(shí)，EDA工具會(huì)使設(shè)計(jì)自動(dòng)復(fù)原到原來(lái)沒(méi)有操作數(shù)隔離的狀態(tài)。例如下面的腳本適用于如果WNS大于0. 5時(shí)，設(shè)計(jì)自動(dòng)復(fù)原到原來(lái)的狀態(tài)：

set_operand_isolation_slack   0.5

compile

compile  -inc

·手動(dòng)

我們也可以用手工的方法復(fù)原操作數(shù)隔離。用手工的方法進(jìn)行操作數(shù)隔離的復(fù)原是在指定的時(shí)序路徑上刪除OI邏輯。這時(shí)候不考慮slack。需要執(zhí)行增量編輯去刪除OI邏輯。腳本如下：

remove_operand_isolation  -fromto

compile  -inc

······

最后，提供一個(gè)完整的加入操作數(shù)隔離的示例腳本，如下所示，使用了默認(rèn)的隔離邏輯類(lèi)型和操作數(shù)隔離的自動(dòng)恢復(fù)：

set   do_operand_isolation   true

read_verilog   mydesign.v

current_design   top

link

create_clock -p 10 [get_ports   clk]

set_operand_isolation_style

set_operand_isolation   -slack 0.1

compile

report_operand_isolation -verb  -isolated