本文作者：AMD 工程师 Alan Schuler
传统上，使用门控时钟是 ASIC 设计中降低系统功耗的常见方法。通过门控时钟，可在非必要时阻止整组寄存器的状态转换。
图 1：使用与门进行时钟门控
在图 1 中，当“gate”信号设为低电平时，所有寄存器均关闭且不消耗动态功耗。
此类编码风格并非总能有效适配 FPGA。原因在于 FPGA 具有先进的专用时钟资源，其设计旨在将时钟结构的时序设为最佳设置以避免时钟偏差。在该结构中插入门电路可能干扰这些资源。此外，这些时钟资源并非无限，因此不同门控时钟的数量过多可能导致 FPGA 设计出现问题。
图 2：时钟结构内的 LUT
解决这些问题的方法之一是重写 RTL 代码以移除门电路。但这涉及大量工作，且在 FPGA 中进行原型设计时，大多数情况下不允许更改 RTL 代码。另一种解决方案是让综合工具转换这些门电路，使时钟直接驱动寄存器时钟管脚，而门控逻辑则转至时钟使能管脚。AMD Vivado™ Design Tool 支持此功能。
图 3：相同电路完成门控时钟转换后的结果
有必要提醒设计者，执行此项转换虽有助于工具利用专用时钟资源，但现在也会改用不同的时钟使能信号。这意味着设计中将包含更多控制集，从而可能引发其他影响。
此外，仿真结果也可能受到影响。以图 2 和图 3 为例。在此示例中，时钟和门控信号均为低电平，随后门控信号在时钟保持低电平期间产生高低脉冲。在图 3 中这计为一次时钟脉冲，但在图 4 中则忽略此次脉冲。 应谨慎处理，避免此类情况。
控制门控时钟
门控时钟转换的控制是通过以下三项组合来完成的。XDC 文件中的时钟约束、GATED_CLOCK 综合属性，以及 gated_clock_conversion 综合设置。XDC 文件中的时钟约束会将设计中时钟的运行频率需求告知工具。 其形式如下：
create_clock -period 5 [get_ports clk]
通过使用约束，该工具即可识别哪些信号可以转换为直接时钟。
GATED_CLOCK 属性允许用户直接告诉工具，门控逻辑中的哪个时钟应驱动寄存器的时钟输入。 该属性会被写于 RTL 文件内。
(* gated_clock = "yes" *) input clk;
gated_clock_conversion 选项用于对综合执行门控时钟转换的方式加以控制。若设为“off”，则永不转换门控时钟。若设为“on”，那么它将在具有 GATED_CLOCK 属性的信号上执行门控时钟转换。
若设为“auto”，那么当该工具通过 XDC 文件识别出哪些信号是设计中的真实时钟时，它将执行转换。此外，若有多个可转换的时钟，则可使用 GATED_CLOCK 属性将应使用的特定时钟告知工具。
当该工具能检测到门控时钟并开启转换功能时，它会尝试将该时钟与门电路中的逻辑其余部分分离。若能完成此操作，那么该时钟将直接驱动寄存器的 C 管脚，其余部分将被分配给寄存器的时钟使能逻辑。
执行门控时钟转换时需考虑的重点之一是层级。转换门控时钟时，该工具会将时钟与逻辑其余部分分离，并创建新时钟和时钟使能。若门控时钟与新时钟驱动的寄存器在相同层级内处于不同层次，且存在保持整个层级静态的约束（如 DONT_TOUCH、KEEP_HIERARCHY 等），工具将无法转换时钟。
图 4：层级内不同层次的时钟门控电路
基础门电路
最常见的门控时钟形式之一是通过基础门电路（例如，与门）实现的时钟门控。
RTL 代码示例：
assign my_clk = clk1 & gate1 & gate2;
此代码通过两个不同使能信号对时钟进行门控，细化视图如下：
图 5：含与门的时钟门控
综合时，如果开启了门控时钟转换，并将 gated_clock_conversion 设置为 auto（自动），clk1 占一个时钟周期，或在 clk1 上将 GATED_CLOCK 属性置位，那么该工具将把 clk1 信号连接到寄存器的 C 输入，并把 gate1 和 gate2 信号连接到触发器的 CE 输入。
图 6：前一电路的综合后结果
或门转换同样适用。
图 7：在时钟电路中使用或门
上述电路转换后如下所示：
图8：或门转换结果
Vivado 综合工具还可转换比与门及或门更复杂的门电路。
寄存的门电路
Vivado 还可转换已寄存的门电路。 例如，以下编码风格将创建一个寄存器，供另一个寄存器用作时钟：
若首个 clk 信号有适当约束，那么该工具亦可转换此类门电路。 例如：
create_clock -period 5 [get_ports clk]
图 9：用作时钟的寄存器的细化视图
转换后如下所示：
图 10：寄存的门电
时钟分频器（1 位）
Vivado 还可处理更复杂的门电路，例如，时钟分频器。
此时钟的代码如下所示：
该模块会将输入时钟“clk_in”分频，得到一个新时钟“clk_out_div_2”，速度减半。
这两个时钟均被指定为模块输出。设计其余部分会使用这两个时钟来驱动设计中的时序元件。
图 11：时钟分频器
由于此类时钟频率不同，因此需使用生成时钟约束。
这些约束会基于输入 clk_in 创建另一个名为 clk_in 的时钟，其周期为 2.5 ns。
随后，它会创建另一个新时钟，其频率为 clk_in 一半，其时钟源为 div_2_reg 触发器的 Q 管脚。
若不转换时钟而直接综合并检查时序，会发现由 div_2_reg 时钟驱动的寄存器路径的周期均为 5 ns。
命令示例：
report_timing -name timing -to out1_2_reg/D
该工具将返回：
图 12：无时钟门控的 2 分频时钟的时序报告
若以时钟门控来运行相同的设计，会引发问题。
新网表如下所示：
图 13：时钟分频器上的门控时钟转换
如您所见，所有寄存器现在均由原始时钟驱动，但若在新寄存器上执行 report_timing，那么其周期会从 5 ns 变为 2.5 ns。原因在于 div_2_reg/Q 的时钟路径不再驱动寄存器时钟管脚，导致生成时钟命令不再影响时序分析。
为修复此问题，Vivado 综合工具为您提供了锚点以创建新的生成时钟约束。 在上图中，请注意时钟线产生分叉，并穿过一个新的层次，该层次只驱动完成时钟转换的寄存器。 此外，综合 log 日志文件将为您提供该锚点名称以及需置于 XDC 文件内的新命令，以确保输出的时序正确无误。
图 14：时钟分频器的日志文件
时钟分频器（多个位使用同一计数器）
除时钟分频器外，计数器也可用作时钟。 例如，一个 4 位计数器可生成 4 个不同时钟。 即，2 分频、4 分频、8 分频和 16 分频。
这些计数器可用于创建时钟，具体用法如下：
图 15：使用计数器作为时钟生成器
开启门控时钟转换后的运行结果如下：
图 16：含计数器的门控时钟转换
请注意，这样会为每个新时钟创建馈通锚点。
在 log 日志中也提供了相关报告以供后续运行使用。
图 17：计数器充当门控时钟的日志文件
