原创 【博客大赛】IC设计之低功耗技术三

四：RTL（寄存器传输）级的低功耗设计

4.1 状态机的设计

状态机编码中一般有两种方式，普通的二进制编码，特殊的格雷码，格雷码的特点是两个数据之间的跳变时只会有一个bit在toggle，显然比起多bit跳转，从直觉上就比较节能。

另外格雷码的好处有很多，在CDC处理的时候，格雷码可是个大救星，格雷码还可以消除毛刺等等。格雷码的特点如下：

格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于方向的转角位移量－数字量的转换中，当方向的转角位移量发生微小变化（而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。

格雷码是一种绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。

由于格雷码是一种变权码，每一位码没有固定的大小，很难直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成液位信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码，再由上位机读取。

典型格雷码是一种采用绝对编码方式的准权码，其权的绝对值为2^i-1(设最低位i=1)。

格雷码的十进制数奇偶性与其码字中1的个数的奇偶性相同。

4.2 门控数据端

数据只要在翻转，那么就会有充放电，有充放电就会有功耗。前面提到对时钟进行gating，但是很多时候时钟gating可能会带来一些负面效应，也有些design clk无法进行gating。这个时候可以考虑将DFF端的数据进行gating。

如上图，sel无论为什么之，输入端的数据都会向后传播，对mux里面的门进行充放电。

在如上图，case语句选用one hot编码，这可以对数据进行门控。

4.3 逻辑资源共享

在设计电路时，或者撰写RTL代码时，要想着是否有些逻辑可以resource的，如下图的简单的ALU写法。

如果换成下面的写法，可能结果就比上面的要好多。目前有些工具已经相当智能，可以进行logic resource，但是好的代码风格还是要多学习，多研究。毕竟工具最终如何处理，你不是很清楚，你如果可以做的更好，工具或许也会更好。

4.4 logic enable 及disable技巧

有些大的逻辑，例如地址译码，ALU单元，在需要用的时候最好能够gating掉，这个方式其实有点类似gating data 和gating clk。

4.5 高频率翻转的线网（high activity net）

有些线网相比于其他的线网活动比较频繁，这个时候可以尝

试将其逻辑尽量往后一级摆放，这样对影响到的电路就会少很多。如下图，x1..xn的变化程度很小，但是Y则翻转很快，可以尝试做如下的处理。

4.6 总线翻转（bus inversion）

总线翻转技术并不是对所有的电路都合适，他比较适合hamming距离大于N/2的情况，其中N是数据位宽。这种方式需要额外的控制bit来表示哪些bit被invert。如下下图

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