降低视频密集型便携式产品的能耗

随着3G无线网的发展，加上集成电路（IC）技术的不断进步，便携式消费电子设备拥有了令人目眩的播放各种视频内容的能力。不断增加的移动产品让用户进入了多彩的视觉体验之中，如实时视频、交互式游戏、交互式地图、网页浏览还有高分辨率照片。并且，不论是基本的手机，还是全功能的PDA，这些功能都在产品的吸引力方面起着至关重要的作用，从而对其市场成功也影响巨大。

但是，实现这此功能的图像处理器能耗都很大，因而给便携系统设计师提出了挑战。图像处理总是需要密集的计算，同时所需时间周期也会延长。举例来说，能处理视频的移动设备必须能够对输入的每一帧进行解压、解码、调整尺寸并对之施加图形过滤器。然后它还要按每秒30次的频率重复这些计算，才能保证输出到移动设备显示屏的视频流。这是实实在在的工作负载，对电能的胃口也非常大。

消费者对富视频产品的渴求看上去无穷无尽，而尽量降低能耗、延长电池使用时间对便携式移动产品来说将一直是个稳定的需求。解决这种互相冲突的目标需要一个全面综合的方法来节省电能。便携产品设计师备必须在整个设计流程上部署节能技术，以便在待机能耗和运行能耗两方面都达到要求。

耗电的器件

要想对移动设备的能耗进行优化，首先必须理解静态和动态耗能器件。静态能耗是待机能耗的主要组成部分，主要来自于晶体管的泄露电流。缩小器件尺寸的一个副产品就是增加了晶体管的泄露电流。

对设计师来说有一点是幸运的，即泄露可以在综合阶段使用多电压临限单元进行自动的标定。在综合过程中，可以根据电能和性能的折衷选择单元。高临限电压的单元可以减少泄露电流，但相对于低临限电压的单元，它的开关要慢许多。在时序要求不严格、开关可以慢一点的电路中，可以使用高临限电压单元来降低静态能耗。技术的进步带来了一系列不同临限电压的单元，静态能耗也就通过低能耗的实现工具得到了自动的优化，因此大体上这个问题对设计者来说已经是透明的了。

活动能耗，也就是动态能耗，是器件运行的结果，通过消除不必要的开关活动就能降低一些。寄存器传输级（RTL）时钟门控是降低动态能耗最常用的技术。时钟门控通过有选择地关闭时钟来消除不必要的开关活动，从而极大地降低计算密集型应用如图像处理中的动态能耗。

时钟门控技术

现在有两种类型的时钟门控技术，分别是合并型（Combinational）和顺序型（Sequential）（见图1）。合并型时钟门控是直接在RTL代码中取代条件声明，把时钟门控单元插入到寄存器的时钟通路中。低能耗的RTL综合工具会在模式匹配的基础上自动识别并插入合并型的时钟门控。至于低能耗综合工具在多大程度上可以使用时钟门控这个问题，它要受到RTL如何编码的制约。低能耗的综合工具是通过在RTL代码中，通过在定义声明之前找到明显的“如果（IF）”条件来找到可以插入时钟门控的机会的。但是，这些工具并不能分析并决定何时在何处给RTL代码插入这种“如果（IF）条件”以便降低能耗。还是要依赖RTL设计者在代码中明显地写上这种“如果（IF）条件”，低能耗综合工具才能把它们翻译成节能的时钟门控。

顺序型时钟门控是一种更强大的优化技术，它在计算密集型应用中降低能耗的能力已经得到验证。与合并型时钟门控不同，顺序型时钟门控并不是简单的翻译。它包含了对设计行为的序列分析。序列分析会对整个电路功能进行设计状态和周期的巡视，识别出不必要的开关动作，诸如并发中无用的数据计算等。之后它能找出相关的逻辑条件来消除这种开关动作。

举例来说，当一个寄存器的输出被留在当前电路周期中的时候，序列分析就能用逻辑条件来关闭合并逻辑中和在前一个周期中生成这个数据的寄存器中的开关。这种序列关系可能向前或向后在多个周期中传播。RTL设计总是包含有多重序列关系，它可以用来减少开关动作，并且因此可以优化寄存器、内存、时钟以及合并逻辑的电能消耗。

序列时钟门控能带来的节能效果是非常显著的，特别是在诸如视频处理这类应用中，这种应用一般都会支持多种视频格式和依赖于数据的算法。根据输入视频流的不同，通常只需要对其中的一部分进行解码计算和过滤器操作。因此，如果设计师能充分理解设计中的序列关系，就会发现这里有许多可以使用时钟门控的机会。

部署时钟门控

在实现时钟门控方法学时有三个关键因素：完全地识别出所有可用的时钟门控机会；精确地生成可以利用这些机会的RTL代码；有效地对这些加入了时钟门控的RTL代码进行验证以确保它仍然保留着原有功能。

只到最近，加入时钟门控的一般方法还是要设