【低功耗设计学习笔记】（二）By-passing & Clock Gating

一、原理说明

背景和理解：

a.CPU指令可以在多周期内完成，即把一条指令分成多个部分，然后依次在每个周期内完成。但是每个指令的所用周期数并不一样，如下图所示，以五级流水线为例子，有些指令需要4个周期（这里实际就是级数，但是若单独看暂且称作周期），有的指令需要3个周期，有的指令需要整整5个周期；

b.流水线（pipeline）的发明提高了人们生产效率，同样将流水线应用在CPU指令处理中，可以提高CPU的吞吐率。在单周期内在不同级同时执行多个指令的小操作，亦可看做是并行处理指令，提高了效率；

c.抽象，将共同的部分进行提取；

d.结合a、b和c我们可以看到：为了使CPU能够应用流水线，我们从更高的一个层次抽象指令的行为，把CPU分成多个级数，通过一级一级加工，逐步来完成指令执行。这样对于所有指令共有的部分而言，这样做是好的，有益的；但是凡事有利弊，指令偶尔也会闹别扭，自己需要额外完成某些操作，如写回操作，那么此时就需要给它在WB级跑一遍。但这样还是好的，因为该做的毕竟还是得做的。最要命的就是有些指令，它本身不用跑WB这一级，但我们为了能够统一整个流水线，我们硬生生让它跑一遍。那这里它就做了无用功。

d.对于MIPS这样架构的处理器，本身它的ISA就是精简指令集，那么对于这些指令的重复利用是必然的，那么无用功随着积累也成了大大的功耗。

e.对于无用功，很显然，我们有两个方式去避免它：

（1）跳过它（By-passing）：用控制的手段对指令进行预判，抄小路直接跳到后续的级数，从而减短了路径。

（2）不管它（Clock gating）：同样也是用控制的手段，在它进入下一级的时候，我们同时告诉这一级，让它什么都不要做，避免了不必要的运算，从而减少了信号翻转，降低功耗。

二、仿真验证

1.验证方式:在ISE开发平台上进行总线仿真，利用Xpower Analyzer比较功率变化。

2.方法设计：

说明（从左到右）：

1.测试数据生成器：并非完全随机，相邻两数相同的概率为1/2；
2.测试数据ROM；
3.测试黑盒：a.clock gating处理；b.未处理；
4.测试结果：由XPA生成功率结果；

3.测试代码：

a.测试数据生成(.py)：

import random
print 'memory_initialization_radix = 16;'
print 'memory_initialization_vector = '
TEST_DATA_NUM = 1024

pre = random.randint(0,1)
pre_num = random.randint(0,128)

for i in range(TEST_DATA_NUM):
    if(i % 32 == 0):
        print ''
    elif(i % 8 == 0):
        print ' ',cur = random.randint(0,1)

    if(cur == pre): 
        print('%02X'%pre_num),else:
        cur_num = random.randint(0,128)
        pre = cur
        pre_num = cur_num
        print('%02X'%cur_num),if(i != TEST_DATA_NUM -1):
        print(','),else:
        print(';')

b.未处理：

module tbox(
input wire clk,input wire clr,input wire [3:0] a,input wire [3:0] b,output reg [3:0] c,output reg [9:0] addr
    );

always@(posedge clk or posedge clr)
begin
    if(clr == 1)
        addr <= 9'b0;
    else begin
        addr <= addr + 1'b1;
    end
end

always@(posedge clk or posedge clr)
begin
    if(clr == 1)
        c <= 4'b0;
    else
        c <= (a * b + a) * b;
end


endmodule

c.Clock gating

module tbox(
input wire clk,output reg [9:0] addr,output reg [3:0] c
    );
reg gate;
reg [3:0] atmp,btmp;

always@(posedge clk or posedge clr)
begin
    if(clr == 1)
        addr <= 0;
    else 
        addr <= addr + 1'b1;
end

always@(posedge clk or posedge clr)
begin
    if(clr == 1)
        gate = 0;
    else begin
        if(a == atmp && b == btmp)
            gate = 1;
        else
            gate = 0;
    end
end

always@(posedge clk or posedge clr)
begin
    if(clr == 1)
        c <= 4'b0;
    else if(gate == 1)
        ;
    else if(gate == 0)begin
        c <= (a * b + a) * b;
        atmp <= a;
        btmp <= b;
    end
end

endmodule

4.验证结果：

a、未处理：

b、Clock gating:

分析：在这里我们理论上，clockgating后的功率应该减少的，但是这里反而不减倒增。反复更改了测试数据和程序，最后发现还是自己的理解不到位所致，总结原因如下：
1.clock gating的使用有条件的，那就是门控的所控制的操作所消耗的功耗要（远）大于门控自身的功耗，不能拣了芝麻丢了西瓜；
2.门控信号自身切换要不那么频繁，也就是要求系统在很长一段时间是稳定的，如像待机状态一样；

题外话：此次用的是MarkDown编辑器，算是新尝试！不过感觉最后排版很乱，还需要好好学习才行！