FPGA设计之门控时钟

最新推荐文章于 2025-03-20 09:56:44 发布
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分类专栏： 时钟与时序 ASIC/FPGA设计基础 文章标签： fpga
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本文介绍了门控时钟技术在FPGA设计中的应用，阐述了门控时钟如何降低功耗，分析了不合理的门控时钟设计如伪门控时钟和直接门控时钟的问题，并推荐了基于锁存器和寄存器的门控时钟设计方案，强调了门控时钟设计时应注意的时序和质量因素。

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门控时钟的设计初衷是 实现FPGA的低功耗设计，本文从什么是门控时钟、门控时钟实现低功耗的原理、推荐的FPGA门控时钟实现这三个角度来分析门控时钟。

一、什么是门控时钟

门控时钟技术(gating clock) 是通过在时钟路径上增加逻辑门对时钟进行控制，使电路的部分逻辑在不需要工作时停止时钟树的翻转，而并不影响原本的逻辑状态。在ASIC和FPGA设计中都存在门控时钟的概念（前者应用更广）。

典型的门控时钟逻辑如下图所示：在这里插入图片描述

二、门控时钟降低功耗的原理

1. FPGA功耗分类

  • 静态功耗：静态功耗又叫泄漏功耗，它是指电路处于等待或不激活状态时-泄漏电流所产生的功耗。通常由FPGA制造工艺的优化而提升。同一代的FPGA产品中，也有专门的低功耗版本（譬如Intel开发的Cyclone10 GX与Cyclone 10 LP，后者为低功耗版本low power但前者性能更强）。可以在FPGA选型时加以考虑。
  • 动态功耗&
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（175）FPGA门控时钟技术
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FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式进行其他行业产品的设计。与 ASIC 不同，FPGA在通信行业的应用比较广泛。
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【数字IC/FPGA】门控时钟
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门控时钟介绍 功耗是芯片设计中非常重要的一个指标，研究表明，在芯片功耗的组成中，有高达40%甚至更多是由时钟树消耗掉的。这个结果的原因也很直观，因为这些时钟树在系统中具有最高的切换频率，而且有很多时钟buffer，而且为了最小化时钟延时，它们通常具有很高的驱动强度。此外，即使输入和输出保持不变，接收时钟的触发器也会消耗一定的功耗。而且这些功耗主要是动态功耗。 减少时钟网络的功耗消耗，最直接的办法就是在不需要时钟的时候，把时钟关掉。这种方法就是所谓的门控时钟：clock gating。 门控时钟类别 1.与
FPGA 使用门控时钟
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FPGA设计中几个基本问题的分析及解决 多时钟系统，时钟设计，时钟歪斜，门控时钟，毛刺信号及其消除，FPGA中的延时设计，FPGA设计应注意的其它问题
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【FPGA与门实现门控时钟原理】——用Verilog HDL实现
BUG？不存在的！
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这是一个简单的门控时钟电路实现，其中input clk_in表示外部时钟信号，input enable表示门控使能信号，output reg clk_out表示输出时钟信号。其中输入模块接收外部信号，时钟模块产生基础时钟信号，门模块则根据输入信号决定是否允许时钟信号通过。总之，FPGA与门实现门控时钟原理非常重要，可以为我们带来更多的便利和创新。在本文中，我们将会介绍FPGA与门实现门控时钟的原理，并使用Verilog HDL（Hardware Description Language）进行代码实现。
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( FPGA亚稳态、多时钟、复位、门控时钟.doc ) 本人总结和复制的一些资料，可以帮助对fpga亚稳态、时钟等的理解。
fpga时钟树介绍
06-03
和基于ASIC（专用集成电路）的时钟电路相比，基于FPGA（现场可编程门阵列）的时钟电路有其自身的特点。FPGA一般提供其专用时钟资源搭建时钟电路，相应的综合工具也能够自动使用这些资源，但是针对于门控时钟和时钟分频电路，如果直接使用综合工具自动处理的结果，会造成较大的时钟偏差。通过合理使用DCM（数字时钟管理单元）和BUFGMUX（全局时钟选择缓冲器）等FPGA的特殊资源，手动搭建时钟电路，可以尽可能地减少时钟偏差对电路时序的影响。
[FPGA时钟门控技术]：提高时钟资源利用率的新思路
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在综合后的FPGA实现中，我们可以将门控时钟模块插入到需要进行门控时钟的模块中，并将其连接到原始时钟信号和门控信号线路上，以此实现对时钟的动态控制。通过这种方式，只有在需要使用时钟信号的模块开启门控信号，才能让门控后的时钟信号到达相应模块，其余模块不受影响，从而避免了不必要的时钟浪费。总之，FPGA门控时钟技术是一种实用而有效的技术方案，它能够帮助我们更好地利用时钟资源，提高系统的性能和可靠性，对于FPGA相关应用领域的工程师和科研人员来说，这个技术值得深入研究和推广。
FPGA | 时钟问题
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03-07 2483
无论是用可编程逻辑元件，还是用全定制元件实现任何数字电路，设计不良的时钟在极限温度、电压或制造工艺偏差的情况下将导致系统错误的行为，所以可靠的时钟设计是非常关键的。在FPGA设计时通常采用以下四种时钟：全局时钟、门控时钟、多级逻辑时钟和波动式时钟。
关于时钟门控
qq_37704014的博客
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门控时钟
FPGA与门实现门控时钟原理
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09-14 389
总结起来，FPGA与门可以被用于实现门控时钟，通过控制信号的高低电平来控制时钟信号的传递。通过适当的设计和配置，我们可以根据具体的需求实现各种复杂的门控时钟功能。在门控时钟中，与门用于控制时钟信号的传递。当控制信号为高电平时，时钟信号才能通过与门传递到后续的电路中；这样，我们可以根据控制信号的变化来控制时钟信号的开关。需要注意的是，以上代码只是一个简单的示例，实际应用中可能需要根据具体的需求进行修改和扩展。语句用于将门控时钟信号定义为时钟信号与控制信号的逻辑与运算结果。为低电平时，门控时钟信号。
(051)FPGA时钟---＞(001)时钟介绍
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（a）FPGA简介（b）Verilog简介（c）时钟简介（d）时钟介绍（e）结束（a）FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。（b）FPGA工程师就业应用于通信、航空航天、汽车电子，还是人工智能、物联网等新兴领域。
小梅哥Xilinx FPGA学习笔记16—使能时钟和门控时钟的原理与差异
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举个例子全局时钟频率为f，下一级的工作频率为f/10. 那么就可以在上一级每10个clk输出一个有效的使能信号，而下一级只有接收到有效的使能信号时才工作，这样下一级的输入时钟仍然是f，但是工作频率却是达到了f/10. 就满足了需求。在编写FPGA的时候我们常常会遇到这样的问题：全局时钟的频率太高了，需要频率更低的时钟来驱动。使能时钟的思路是这样的，保持全局时钟不变，也不增设新的时钟，而是通过使能信号控制下一级工作。门控时钟就是通过计数的方式来实现对全局时钟的分频，满足你对低频时钟的需求。
FPGA设计：门控时钟的利弊与替代策略
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