JP3508625B2 - 低消費電力ディジタル論理回路 - Google Patents
低消費電力ディジタル論理回路Info
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Description
特にクロック供給ラインにゲートを備えた論理回路及び
半導体論理集積回路に関する。
比例関係にあるディジタル論理回路において、論理回路
の消費電力を抑える方法の一つとしてクロックラインに
ゲート回路を挿入し、論理回路が動作しない期間はクロ
ックの供給を止めるゲーテットクロック(gated cloc
k)方式が用いられる。
停止により平均的なクロック周波数が1/10に下がっ
た場合には、ディジタル論理回路の消費電力もほぼ1/
10になり、消費電力を削減することができる。
ゲーテットクロック方式の論理回路は、次のような問題
点を有している。
にスパイクノイズが発生すると、論理回路が誤動作を起
こす。そしてクロックラインにゲート回路を挿入した場
合、タイミング設計を十分に調整しないと、クロックラ
インにスパイクノイズが発生する可能性が出てくる。
イミングの設計が難しいという問題点を有しており、タ
イミングの設計及びその調整に時間を要する。
の回路構成の一例を示す図である。
(I)をデータ入力端Dに入力しクロック入力端Cにク
ロックを入力として出力端Qからデータ出力DATA
(O)を出力するD型フリップフロップ1のクロック入
力端Cには、クロックイネーブル信号とクロック信号を
入力とするゲート回路2の出力が接続されており、クロ
ックイネーブル信号は、クロック信号で前段からのクロ
ックイネーブル信号をラッチ出力するD型フリップフロ
ップ5の出力から供給される構成とされている。
クロックラインにスパイクが発生しない正常な動作を示
すタイミングチャートである。なお、図15において、
C点はD型フリップフロップ1のクロック入力端Cの信
号波形を示している。
プ5から出力されるクロックイネーブル信号がインアク
ティブ(Highレベル)のときはゲート回路2でクロ
ック信号がマスクされ、クロックイネーブル信号がアク
ティブ(Lowレベル)のときゲート回路2からクロッ
クが通過出力され、その立ち上がりエッジでデータ入力
DATA(I)のをラッチしDATA(O)として出
力する。
がクロックの立ち下がりよりも遅れて、図14のノード
Cにスパイクノイズが発生して誤動作を起こす例を示す
図である。図16に示すように、クロックイネーブル信
号がアクティブ(Lowレベル)期間中にゲート回路2
から通過したクロックの立ち上がりエッジ(2)でデー
タ入力DATA(I)のがD型フリップフロップ1で
ラッチされ、クロックイネーブル信号の遅延がクロック
の立ち下がりよりも遅れているため、つづいて、クロッ
クイネーブル信号の立ち上がりエッジに同期した信号に
より、データ入力DATA(I)のがD型フリップフ
ロップ1でラッチされDATA(O)としてる。
延がクロックの立ち下がりエッジよりも遅れると、スパ
イクノイズが発生して回路が誤動作するため、クロック
周期が短い高速回路やクロックデューティが悪いシステ
ムでは、その使用が制限され、適用範囲が限定されると
いう問題がある。
ンが遅延して、結果的にクロックイネーブル信号の遅延
がクロックの立ち上がりよりも早くなった場合で、この
場合もC点にスパイクノイズが発生して誤動作を起こ
す。すなわち、この場合も、クロックイネーブル信号が
アクティブ期間中にゲート回路2から通過したクロック
の立ち上がりエッジ(2)でデータ入力DATA(I)
のがD型フリップフロップ1でラッチされ、つづい
て、クロックイネーブル信号の立ち上がりエッジに同期
した信号により、データ入力DATA(I)のがD型
フリップフロップ1でラッチされる。
式の論理回路においては、D型フリップフロップのクロ
ックラインにスパイクノイズが発生すると、D型フリッ
プフロップ内に保持しているデータが読み出され、同時
に新しいデータが取り込まれる、結果的にスパイクの影
響でフリップフロップの値が変化する、つまり誤動作を
起こす事がわかる。
ば増すほど、その数に比例して、タイミング設計に時間
を要するため、一般に、大規模LSIになるほど、ゲー
テットクロックの採用は必要最小限に抑えられる傾向
(低消費電力化と設計の容易性/設計期間がトレードオ
フの関係)にあり、この場合、低消費電力化を十分に図
る事が出来ない。
般に、ハードウエア記述言語(Hardware Description
Language)を用いて機能記述と検証を行い、論理合成
ツールを用いて、ハードウエア記述から、実際のLSI
のゲート回路を合成して、LSIの設計が行われる。
一相同期回路を前提としており、ゲーテットクロック回
路に対応していないものが多く、機能記述に特殊な書き
方が要求されたり、あるいは、限られた論理合成ツール
しか使用できない。すなわち、ゲーテットクロック回路
の設計には、記述や設計環境が汎用性に欠ける。
なされたものであって、その目的は、クロックラインに
ゲートを備えた論理回路において、クロック系のタイミ
ング設計を容易化し設計期間を短縮する論理回路を提供
することにある。
ツールを用いて設計可能なゲーテットクロック方式の論
理回路を提供することにある。
明は、クロックイネーブル信号の値により入力したクロ
ック信号を通過又はマスクするゲート回路を備え、デー
タを入力とするラッチ回路のラッチタイミングを制御す
るクロック入力端に前記ゲート回路の出力が接続される
論理回路において、入力データと前記ラッチ回路の出力
とを入力とし、データイネーブル信号を選択信号として
いずれか一方を出力するセレクタを備え、前記セレクタ
の出力が前記ラッチ回路のデータ入力端に接続されてい
ることを特徴とする。本発明においては、信号源からの
データイネーブル信号、及びクロックイネーブル信号を
それぞれ入力とし、前記クロック信号でそれぞれラッチ
出力した信号を、前記データイネーブル信号、及び前記
クロックイネーブル信号として、前記セレクタ、及び前
記ゲート回路にそれぞれ供給する2つのラッチ回路をさ
らに備えている。
する。図1は、本発明の一実施の形態の構成を示す図で
あり、本発明を適用したゲーテットクロック方式の論理
回路の構成を示す図である。図1を参照すると、D型フ
リップフロップ1のデータ入力端Dには、セレクタ3の
出力が接続されており、セレクタ(「フィードバック回
路用セレクタ」ともいう)3は、データ入力DATA
(I)と、D型フリップフロップ1の出力DATA
(O)とを入力し、選択信号入力端に入力されるデータ
イネーブル信号の値に応じて、いずれか一方を出力す
る。
ル信号をラッチ出力する最終段のD型フリップフロップ
であり(前段のフリップフロップは図示されない)、D
型フリップフロップ5はクロックイネーブル信号をラッ
チ出力する最終段のD型フリップフロップである(前段
のフリップフロップは図示されない)。
へのクロックの供給・停止を制御するゲート回路2の一
の入力端にはクロックが供給され、他の入力端にはD型
フリップフロップ5から出力されるクロックイネーブル
信号が入力される。
クラインにスパイクノイズが乗った場合でも、フリップ
フロップが誤動作しないようにフィードバック回路でデ
ータを保持しているため、誤動作を起こさない。
乗っても誤動作しないため、以下のような利点を有す
る。・クロックラインのタイミング設計に全く気を配る
ことなく、かつゲーテットクロックの効果により、ディ
ジタル論理回路の低消費電力化を図る事が出来る。・ク
ロックラインのタイミング設計が複雑になるため、ゲー
テットクロック方式の採用が難しくなる大規模LSIの場
合でも簡単に採用でき、大規模LSIの低消費電力化に
大きく貢献する。
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図1を参照して、本発明の一実施例の基
本構成を説明する。
ップ、符号2はD型フリップフロップ1のクロックライ
ンの挿入された2入力OR回路、符号3はD型フリップ
フロップ1のデータを保持するためのフィードバック回
路を構成するセレクタである。符号4データイネーブル
信号発生器の最終段のD型フリップフロップを図示した
ものであり、符号5はクロックイネーブル信号発生器の
最終段のD型フリップフロップを示したものである。
一の入力端に接続され、データイネーブル信号はセレク
タ3の選択端子にそれぞれ接続される。
を説明するためのタイミングチャートである。
ックの立ち上がりエッジから生成され、かつクロック信
号の立ち下がりエッジのタイミングよりも遅延しない場
合を示す。
ク入力端C)に、クロックイネーブル信号がアクティブ
(クロックイネーブル信号はLowアクティブとする)
の期間に、3つのクロック信号の立ち上がりエッジ(<
2>、<3>、<4>)が存在する。
wレベル)の期間にのみ、セレクタ3は、データ入力D
ATA(I)をD型フリップフロップ1のデータ入力端
に出力する。
ロック信号の立ち上がりエッジ<3>でデータ入力DA
TA(I)のを取り込み出力DATA(O)に出力
し、データイネーブル信号がHighレベルのときは、
セレクタ3からはD型フリップフロップ1の出力DAT
A(O)がD型フリップフロップ1のデータ入力端に供
給され、クロック信号の立ち上がりエッジ<4>ではセ
レクタ3から出力されるデータ入力DATA(I)の
を取り込む。
クの立ち上がりエッジから生成され、かつクロックの立
ち下がりエッジのタイミングよりも遅延した場合を示す
タイミング図である。
ティブ期間に、クロック立ち上がりエッジが3カ所(<
2>、<3>、<4>)の伝達され、さらにクロックイ
ネーブル信号の遅延により本来のクロックの立ち上がり
エッジには存在しない<4’>なるクロックエッジ(こ
の<4’>を「スパイクノイズ」と呼ぶ)が発生する。
owレベルの期間にのみD型フリップフロップ1にはデ
ータが取り込まれる。図3では、クロックエッジ<3>
のみがデータ取り込みクロックエッジとなる。このた
め、<4’>のスパイクノイズの影響を受けることがな
い。すなわちデータイネーブル信号がHighレベルの
ときは、セレクタ3からはD型フリップフロップ1の出
力DATA(O)がD型フリップフロップ1のデータ入
力端に供給され、クロック信号の立ち上がりエッジ<4
>、<4’>ではセレクタ3から出力されるデータ入力D
ATA(I)のを取り込む。
らもわかるように、本発明の一実施例の論理回路は、ス
パイクノイズの有無にかかわらず、同じ動作をすること
がわかる。すなわち、本発明の一実施例の論理回路は、
クロックラインのスパイクノイズに対して誤動作を起こ
さない。
ネーブル信号の遅延が1クロックまで許容されるため、
クロック周期が短い高速回路へ適用することもできる。
る。図4は、本発明の2の実施例の構成を示す図であ
る。図4を参照すると、本発明の第2の実施例は、図1
に示したゲート2として、AND回路を用いたものであ
る。図5は、図4に示した論理回路のタイムチャートで
ある。
クイネーブル信号はHighレベルがアクティブとされ
る。本発明の第2の実施例においては、クロックイネー
ブル信号の遅延がクロックの立ち下がりエッジよりも少
ない場合、スパイクノイズが発生するが、D型フリップ
フロップ1は、データイネーブル信号がアクティブのと
きにのみ、クロックの立ち上がりエッジでセレクタ3か
ら出力されるデータ入力DATA(I)を取り込み、デ
ータイネーブル信号がインアクティブのときはセレクタ
3から出力されるデータ出力DATA(O)をクロック
の立ち上がりエッジで取り込む構成とされているため、
クロックラインにスパイクノイズが発生しても、論理回
路は、誤動作しない。
る。図6は、本発明の第3の実施例の構成を示す図であ
る。図6を参照すると、本発明の第3の実施例は、クロ
ックイネーブル発生器の最終段のD型フリップフロップ
5が、クロック立ち下がりで動作するフリップフロップ
を用いており、D型フリップフロップ5からは、クロッ
クの立ち下がりエッジで、クロックイネーブル信号が出
力される。
すタイムチャートである。この場合も、クロックイネー
ブル信号の遅延がクロックの立ち下がりエッジよりも少
ない場合でもスパイクノイズが発生するが、D型フリッ
プフロップ1は、データイネーブル信号がアクティブの
ときにのみ、クロックの立ち上がりエッジでセレクタ3
から出力されるデータ入力DATA(I)を取り込み、
データイネーブル信号がインアクティブのときはセレク
タ3から出力されるデータ出力DATA(O)をクロッ
クの立ち上がりエッジで取り込む構成とされているた
め、論理回路は、誤動作しない。
る。図8は、本発明の第4の実施例の構成を示す図であ
り、データイネーブル信号/クロックイネーブル信号が
複数存在する場合の例を示したものである。図9は、本
発明の第4の実施例の動作を示すタイムチャートであ
る。
1、1’のデータ入力端Dには、それぞれセレクタ3、
3’の出力が接続されており、セレクタ(「フィードバ
ック回路用セレクタ」ともいう)3、3’は、それぞれ
データ入力DATA(I)、DATA(I)’と、D型
フリップフロップ1、1’の出力DATA(O)、DA
TA(O)’を入力し、D型フリップフロップ4、4’
から出力されるデータイネーブル信号が選択信号入力端
にそれぞれ入力される。
データイネーブル信号をラッチ出力する最終段のD型フ
リップフロップであり、D型フリップフロップ5、5’
はそれぞれクロックイネーブル信号をラッチ出力する最
終段のD型フリップフロップである。
入力端へのクロックの供給・停止を制御するゲート回路
2、2’の一の入力端には共通のクロックが供給され、
他の入力端にはD型フリップフロップ5、5’から出力
されるクロックイネーブル信号が入力される。
ータイネーブル信号が2系統の構成を示したが、同様の
考え方でイネーブル信号の数が増やすことができる。
1’は、データイネーブル信号がアクティブのときにの
み、クロックの立ち上がりエッジでセレクタ3、3’か
ら出力されるデータ入力DATA(I)、DATA
(I)’を取り込み、データイネーブル信号がインアク
ティブのときはセレクタ3、3’から出力されるデータ
出力DATA(O)、DATA(O)’をクロックの立
ち上がりエッジで取り込む構成とされるため、論理回路
は、誤動作しない。
る。図10は、本発明の第5の実施例の構成を示す図で
ある。図10を参照すると、本発明の第5の実施例は、
D型フリップフロップ1、1’のセレクタ3、3’の対
してそれぞれデータイネーブル信号をD型フリップフロ
ップ4、4’から供給し、D型フリップフロップ1、
1’のクロック入力端へのクロック供給・停止を制御す
るゲート回路2を一つとしたものである。ゲート回路2
へのクロックイネーブル信号はD型フリップフロップ5
から供給される。クロックイネーブル信号を共通化する
ことで、ゲートを一つとし、クロックラインの簡略化、
設計の容易化を可能としている。図11は、本発明の第
5の実施例の動作を示すタイムチャートである。
る。図12は、本発明の第6の実施例の構成を示す図で
あり、大規模LSI設計に適用した構成を示す図であ
る。1つのゲーテットクロックでドライブする単位を1
つのマクロと定義しており、第1のマクロ101、第2
のマクロ102の2種類についてゲーテットクロックを
使用している。
クイネーブル信号を1つのゲート回路で、第1のマクロ
101、第2のマクロ102のクロック入力端を駆動し
ている。
ックを採用することにより、ゲーテットクロックの数を
整理して設計を容易にすることができる。
のデータイネーブル信号(DE)により、第1のマクロ
101、第2のマクロ102内のフリップフロップは、
クロックイネーブル期間のクロックのエッジでデータが
取り込まれる。
クロック方式でクロックが供給されない。このようにゲ
ーテットされたマクロ(ゲーテットクロック方式でクロ
ックが供給されるマクロ)とゲーテットされないマクロ
と混在してもよく、またゲーテットされたマクロの数や
ゲーテットされていないマクロの数は、図12に示した
構成に限定されるものでない。
ックにまとめる場合、機能単位でまとめる場合や、イネ
ーブル信号のタイミングパルスの位置でまとめる方法等
が有る。一つのまとめる信号本数が多くなると、クロッ
クイネーブルのイネーブル期間が長くなり、クロックの
停止による低消費電力効果が少なくなるので、機能やタ
イミング位置を考慮しながら適切に決める。
る。図13は、本発明の第7の実施例の構成を示す図で
ある。図13を参照すると、本発明の第7の実施例にお
いては、ゲーテットクロックラインに、CTS(Clock
Tree Synthesis;クロックツリーシンセシス)の遅延
時間均等化用のバッファ6、6'、6''を備え、第1乃
至第3のマクロ101〜103のクロック入力端C、
C'、C''でのクロックの位相を揃えるようにしたもので
ある。マクロのクロック入力端のクロック位相が全て同
一になるため、各マクロ間の位相のチューニングも必要
が無く、各マクロを一般的な論理合成ツールで合成が可
能になり設計が容易である。
いが、各マクロ間には信号配線を備え、各マクロ間の信
号の授受が行われ所定の機能が実現される。
下記記載の効果を奏する。
ミングに特に気を配ることなく低消費電力な論理回路を
設計可能とし、従来のゲーテットクロック方式に比べ
て、設計期間を短縮することができる、ということであ
る。
タイミングの考慮が不要なため、大規模LSIの場合で
も、ゲーテットクロック方式を問題無く採用でき、大規
模LSIの低消費電力化の実現を容易化する、というこ
とである。ゲーテットクロックラインの使用数が増える
と、その数に比例してタイミング設計に時間を要し、こ
のため、一般に大規模LSIになるほどゲーテットクロ
ックの採用は必要最小限に抑えられる傾向にあり、すな
わち低消費電力化と設計の容易性/設計期間がトレード
オフの関係にあるが、ゲーテットクロック方式を問題無
く採用することができる。
ゲート挿入のみ記述で対応するだけで、論理合成ツール
を用いることが出来る、ということである。論理合成ツ
ールは、一般にクロック一相同期回路を前提として、デ
ータを保持する必要がある場合にはデータ保持回路を発
生する。
合のクロックイネーブル信号の遅延が1クロックまで許
容されるため、クロック周期が短い高速回路への適用を
可能としている、ということである。
ング図である。
ング図である。
ング図である。
ング図である。
ング図である。
る。
ミング図である。
る。
る。
作を示すタイミング図である。
作を示すタイミング図である。
作を示すタイミング図である。
Claims (8)
- 【請求項1】クロックイネーブル信号の値により入力し
たクロック信号を通過又はマスクするゲート回路を備
え、データを入力するラッチ回路のラッチタイミングを
制御するクロック入力端に前記ゲート回路の出力が接続
されてなる論理回路において、 入力データと前記ラッチ回路の出力とを入力とし、入力
されたデータイネーブル信号を選択信号として、前記入
力データと前記ラッチ回路の出力のいずれか一方を出力
するセレクタを備え、 前記セレクタの出力が、前記ラッチ回路のデータ入力端
に接続され、信号源からのデータイネーブル信号、及びクロックイネ
ーブル信号をそれぞれ入力とし、前記クロック信号でそ
れぞれラッチ出力した信号を、前記データイネーブル信
号、及び前記クロックイネーブル信号として、前記セレ
クタ、及び前記ゲート回路にそれぞれ供給する2つのラ
ッチ回路をさらに備えている、 ことを特徴とする論理回
路。 - 【請求項2】複数のデータをそれぞれ入力する複数系統
のラッチ回路のそれぞれに対して、入力データと前記ラ
ッチ回路の出力とをそれぞれ入力とし、データイネーブ
ル信号を選択信号としていずれか一方をそれぞれ出力す
る複数のセレクタを備え、 前記各セレクタの出力が対応する前記ラッチ回路のデー
タ入力端にそれぞれ接続されており、 複数系統の前記ラッチ回路のそれぞれに対して、クロッ
クイネーブル信号の値に応じて、入力したクロック信号
を通過又はマスクする複数のゲート回路を備え、前記各
ゲート回路の出力が対応する前記ラッチ回路のクロック
入力端にそれぞれ接続され、 信号源からの複数のデータイネーブル信号をそれぞれ入
力とし、前記クロック信号によりそれぞれラッチした前
記複数のデータイネーブル信号を、前記複数のセレクタ
にそれぞれ供給する複数のラッチ回路と、 信号源からの複数のクロックイネーブル信号をそれぞれ
入力とし、前記クロック信号によりラッチした複数のク
ロックイネーブル信号を、前記複数のゲート回路にそれ
ぞれ供給する複数のラッチ回路と、を備えている、 こと
を特徴とする論理回路。 - 【請求項3】複数のデータをそれぞれ入力する複数系統
のラッチ回路のそれぞれに対して、 入力データと前記ラッチ回路の出力とをそれぞれ入力と
し、データイネーブル信号を選択信号としていずれか一
方を出力する複数のセレクタを備え、 前記各セレクタの出力がそれぞれ対応する前記ラッチ回
路のデータ入力端にそれぞれ接続されており、 複数系統の前記ラッチ回路に対して、クロックイネーブ
ル信号の値に応じて、入力したクロック信号を通過又は
マスクする一つのゲート回路を備え、前記ゲート回路の
出力が前記複数のラッチ回路のクロック入力端に共通接
続され、 信号源からの複数のデータイネーブル信号をそれぞれ入
力とし、前記クロック信号でそれぞれラッチした複数の
データイネーブル信号を、前記複数のセレクタにそれぞ
れ供給する複数のラッチ回路と、 信号源からのクロックイネーブル信号を入力とし、前記
クロック信号でラッチしたクロックイネーブル信号を前
記ゲート回路に供給するラッチ回路と、を備えている、
ことを特徴とする論理回路。 - 【請求項4】前記ラッチ回路がD型フリップフロップよ
りなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に
記載の論理回路。 - 【請求項5】複数のデータをそれぞれ入力する複数系統
のラッチ回路のそれぞれに対して、 入力データと前記ラッチ回路の出力とをそれぞれ入力と
し、データイネーブル信号を選択信号としていずれか一
方を出力する複数のセレクタを備え、 前記各セレクタの出力がそれぞれ対応する前記ラッチ回
路のデータ入力端にそれぞれ接続されているマクロを備
え、 前記マクロに対して、クロックイネーブル信号の値に応
じて、入力したクロック信号を通過又はマスクするゲー
ト回路を共通に一つ備え、 前記ゲート回路の出力が、前記マクロのクロック入力端
に接続され、前記マクロのクロック入力端から入力され
たクロックが前記マクロ内の前記複数のラッチ回路のク
ロック入力端に共通に供給され、信号源からの複数のデータイネーブル信号をそれぞれ入
力とし、前記クロック信号でそれぞれラッチした複数の
データイネーブル信号を、前記複数のセレクタにそれぞ
れ供給する複数のラッチ回路と、 信号源からのクロックイネーブル信号を入力とし、前記
クロック信号でラッチしたクロックイネーブル信号を前
記ゲート回路に供給するラッチ回路と、 を備えている、 ことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項6】請求項5記載の前記マクロと、クロック入
力端にクロックの通過又はマスクを制御するゲート回路
が挿入されずに直接クロック信号が入力されるマクロと
が、同一チップ内に混在している、ことを特徴とする半
導体集積回路装置。 - 【請求項7】前記ゲート回路と前記マクロの前記クロッ
ク入力端との間に遅延均等化バッファを備えていること
を特徴とする請求項5記載の半導体集積回路装置。 - 【請求項8】クロック入力端に直接クロック信号が入力
される前記マクロのクロック入力端にも遅延均等化バッ
ファを備えている、ことを特徴とする請求項6記載の半
導体集積回路装置。
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