一款基于門控時鐘的低功耗時序電路設計

　　電路運算

　　以分頻因子為10(即2N=10)的電路為例。由于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,再饋入多路復用器的選擇線路，其二進制表示為0001.這個4位sel[3:0]=0001信號極為重要，因為它不僅控制著門控時鐘邏輯，還在分流和延遲路徑中做出選擇。

　　在這種情況下，只有Sel[0]會變為1并啟用s觸發器的時鐘，并且同樣地，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)觸發器的時鐘，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，并且該電路可在第4個多路復用器的輸出上獲得所需的輸出時鐘。因此，在這個示例中，共有5個觸發器接收到時鐘，其他觸發器的時鐘將自動被禁用。

　　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：修改后的計數器采用sel[3:0]作為4'h0001,將一個100 MHz的時鐘進行分頻，提供10 MHz的輸出。

　　推薦的電路可實現各種組合，表2列出了多路復用器所選擇的輸入。

　　推薦方法的優勢

　　本文所介紹的約翰遜計數器可根據分頻因子(范圍為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系列輸出頻率。

　　即使此計數器中配備了額外的硬件來實現可編程性，但是該電路的功耗通過一個邏輯提供的有效門控時鐘進行控制，該邏輯與在選擇階段挑選多路復用器時所采用的邏輯相同，并啟用門控時鐘單元。

　　因此，將門控時鐘添加到設計內以后，任何從移位寄存器傳送至計數器的時序邏輯都可以變得更加高效，并且片上系統的一系列此類電路綜合起來可以節省功耗并延長設備電池壽命。

　　總結

　　在設計階段，由于架構師對電路的功耗要求越來越嚴格，并且倍增系數越來越大，因此對多路復用級聯時鐘分頻器的需求也隨之加大，但這種分頻器會使電路消耗更多的功耗，并且占用更大的芯片面積。結構調整后的設計卻提供了一個更加輕松的解決方案，與傳統電路相比，重組后的電路可支持不同的輸出頻率，同時消耗更低的功耗。該解決方案還可輕松應用至各種其他設計中，使其他設計變得更加節能。