موضوع مقاله: دروازه‌سازی ساعت | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # دروازه‌سازی ساعت | مقدمه: در معماری رایانه، دروازه‌سازی ساعت (به انگلیسی: Clock gating) یک تکنیک پرکاربرد برای مدیریت توان است که در بسیاری از مدارهای همگام به‌منظور کاهش اتلاف توان دینامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. | ## بخش 1: دروازه‌سازی ساعت | دروازه‌سازی ساعت با «هرس کردن» (Pruning) بخشی از مسیر توزیع درخت ساعت، باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود؛ اگرچه این کار به بهای افزودن پیچیدگی و گیت‌های منطقی بیشتر به مدار تمام می‌شود. فرایند هرس کردن ساعت، بخش‌هایی از مدار را غیرفعال می‌کند تا فلیپ‌فلاپ‌های موجود در آن تغییر وضعیت ندهند. این تکنیک به‌ویژه در سیستم‌هایی که دارای زمان‌های بیکاری قابل‌توجه یا دوره‌های عدم‌فعالیتِ قابل پیش‌بینی در ماژول‌های خاص هستند، بسیار کارآمد است. مولفه‌های مصرف توان مدارهای دیجیتال از طریق مکانیزم‌های متعددی توان مصرف می‌کنند که معمولاً به دو دسته کلی «دینامیک» (پویا) و «استاتیک» (ایستا) تقسیم می‌شوند. این توان متناسب با فعالیت کلیدزنی، ظرفیت خازنی، مجذور ولتاژ تغذیه و فرکانس ساعت است. (توان اتصال کوتاه): در هنگام تغییر سیگنال‌ها رخ می‌دهد؛ زمانی که هر دو ترانزیستور PMOS و NMOS به‌طور لحظه‌ای و هم‌زمان روشن می‌شوند و یک مسیر جریان اتصال کوتاه زودگذر بین منبع تغذیه و زمین ایجاد می‌کنند. (توان استاتیک): شامل توان مصرفی بلوک‌هایی است که همیشه روشن هستند (مانند مدارهای بایاس یا تولیدکننده‌های ولتاژ مرجع) و حتی در شرایط استندبای نیز مصرف می‌شوند. این مولفه‌ها در مجموع پروفایل توان کلی یک سیستم دیجیتال را تعیین می‌کنند و بهینه‌سازی آن‌ها برای طراحی‌های کم‌مصرف حیاتی است. | ## بخش 2: دروازه‌سازی ساعت | با کوچک‌تر شدن مقیاس فناوری در مدارهای مجتمع مدرن، توان‌های نشتی و اتصال کوتاه سهم قابل‌توجهی از بودجه کل توان را به خود اختصاص می‌دهند. نقش دروازه‌سازی ساعت در کاهش توان دروازه‌سازی ساعت (Clock gating) یکی از تکنیک‌های موثر برای کاهش مصرف انرژی است که به‌طور خاص مولفه توان دینامیک را هدف قرار می‌دهد. توان دینامیک را می‌توان با معادله زیر تقریب زد: که در آن: : ضریب فعالیت کلیدزنی (Switching activity factor) : خازن بار : ولتاژ تغذیه : فرکانس ساعت با قطع کردن سیگنال ساعت در بخش‌هایی از مدار که مورد استفاده نیستند، دروازه‌سازی ساعت مقدار را کاهش داده و در نتیجه مصرف کل توان دینامیک را پایین می‌آورد. این روش با تکنیک «دروازه‌سازی توان» (Power gating) متفاوت است؛ در تکنیک دروازه‌سازی توان، منبع تغذیه به‌طور کامل قطع می‌شود که منجر به کاهش هم‌زمان چندین منبع اتلاف توان می‌گردد، اما پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. تکنیک‌های دروازه‌سازی ساعت تکنیک‌های دروازه‌سازی ساعت معمولاً با هدف قرار دادن نواحی خاصی از ساعت عمل می‌کنند. برای به‌کارگیری این تکنیک‌ها، اغلب لازم است که ثبات‌ها یا فلیپ‌فلاپ‌های مدار اصلاح شوند تا قابلیت کنترل‌پذیری پیدا کرده و بتوان آن‌ها را از شبکه توزیع ساعت جدا کرد. مدارهای خارجی می‌توانند سیگنال‌های ساعت و فعال‌سازی را از طریق تکنیکی به نام «فلیپ‌فلاپ‌های دارای پایه فعال‌ساز» (Enabled Flip-Flops) کنترل کنند، یا این سیگنال‌ها می‌توانند به‌صورت داخلی با استفاده از روش‌های سنتی دروازه‌سازی ساعت تولید شوند. زمانی که سیگنال کنترلی (CNTRL) فعال می‌شود (مثلاً روی مقدار منطقی ۱ تنظیم می‌شود)، مدار دروازه‌سازی با نگه‌داشتن سیگنال ساعت در یک سطح منطقی ثابت (صفر یا یک)، آن را قطع می‌کند. | ## بخش 3: دروازه‌سازی ساعت | روش‌های افزودن منطق دروازه‌سازی منطق دروازه‌سازی ساعت را می‌توان به روش‌های گوناگونی به یک طرح افزود: کدنویسی در سطح RTL: می‌توان شرایط فعال‌سازی را مستقیماً در کد «سطح انتقال ثبات» (RTL) نوشت. درج دستی توسط طراح: طراحان RTL می‌توانند با نمونه‌سازی از سلول‌های خاص کتابخانه به نام «سلول‌های یکپارچه دروازه‌سازی ساعت» (ICG)، ساعتِ ماژول‌ها یا ثبات‌های خاصی را به‌صورت دستی قطع و وصل کنند. درج نیمه‌خودکار: ابزارهای خودکارِ دروازه‌سازی ساعت می‌توانند سلول‌های ICG را در کد RTL درج کرده یا شرایط فعال‌سازی را به کد اضافه کنند. باید توجه داشت که هرگونه تغییر در RTL برای بهبود دروازه‌سازی ساعت، منجر به تغییرات عملکردی در طرح خواهد شد (زیرا ثبات‌ها مقادیر متفاوتی را در زمان‌های مختلف نگه می‌دارند) و از این رو، طراحی نیاز به راستی‌آزمایی مجدد خواهد داشت. این تکنیک باعث می‌شود که دروازه‌سازی از سطح فلیپ‌فلاپ‌های منفرد فراتر رفته و صرفه‌جویی در توان را در بخش‌های بزرگ‌تری از مدار بهینه کند. تراشه‌هایی که برای کاربردهای مبتنی بر باتری یا توانِ فوق‌العاده پایین (Ultra-low-power) طراحی شده‌اند—مانند تلفن‌های همراه، ابزارهای پوشیدنی و سامانه‌های نهفته—معمولاً چندین راهبرد دروازه‌سازی ساعت را به‌طور هم‌زمان پیاده‌سازی می‌کنند. دروازه‌سازی خودکار: از مکانیزم‌های سخت‌افزاری استفاده می‌کند تا تشخیص دهد چه زمانی سیگنال ساعت غیرضروری است و آن را به‌صورت پویا خاموش کند. | ## جمع‌بندی | برای مثال، یک گذرگاه (Bus) داخلی یا پل ارتباطی ممکن است از دروازه‌سازی خودکار استفاده کند و تا زمانی که توسط CPU یا موتور دسترسی مستقیم به حافظه (DMA) فراخوانی نشود، ساعت آن غیرفعال باقی بماند.