一种数据路径装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种数据路径装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路设计复杂性的不断提高，整个系统都可以在一块芯片上实现，但是 这种性能的提高是以功耗急剧增加为代价，特别是对于广泛应用的手持设备。由于电池容 量的大幅度提升在短期内不易实现，这就要求集成电路设计过程中不仅要考虑性能，而且 要考虑功耗。
[0003] 数据路径（DataPath)是处理器内核传递信号的关键组成部分，在程序运行过程 中，信号翻转非常频繁，这使得数据路径成为处理器功耗的主要来源之一。
[0004] 图1为数据路径的一般结构。如图1所示，数据路径主要由寄存器（Register)、多 路选择器（Multiplexer)、加法器（Adder)等电路组成。输入信号（如Bus_A和Bus_B)通过 多路选择器(如MUXl和MUX2)参与计算部件(如ADDER)的计算，并将计算结果赋给最终输 出信号(如Bus_0ut)。
[0005] 从图1可以看出，当多路选择器（MUX2)的使能信号（Sel2_En=l)时，多路选择器 (MUX2)选择路径1，而信号(如Bus_A、Bus_B和Bus_C)的信号翻转和功能部件(如MUXl和 ADDER)的计算结果并不能传递给最终输出信号(如Bus_0ut)，这就造成了大量的功耗损失。
[0006] 可观无关性（ObservabilityDon'tCare,简称0DC)对数据路径的信号不可观条 件进行分析。一个两输入逻辑与门如图2所示，它的布尔函数表达式为（z=x&y)，符号"&" 表示逻辑与运算。当输入变量y为低电平，则无论输入变量X为何值，输出变量z都为低电 平，即输入变量X在输出变量z处不可观。另一方面，当输出变量z自身在最终输出信号处 (如PrimaryOutput)不可观，则输入变量X在最终输出信号处也不可观。
[0007] 对于一个两输入逻辑与门，输入变量X的ODC计算如公式1所示：
[0008] ODC(X)=V+ODC(z) (1)
[0009] 符号" + "表示逻辑或运算，符号"一"表示逻辑非运算。
[0010] 对于不同的功能部件，更一般的ODC计算如公式2所示：
[0011] ODC(x) =ODCm (X)+ODC(z) (2)
[0012] 功能部件的可观无关性ODCm(X)为高电平时，表示输入变量X在功能部件的输出 变量处不可观。通常定义最终输出信号(如PrimaryOutput)的ODC为低电平，即最终输出 信号始终可观。
[0013] 在期刊IEEESOCDesignConferenceIS0CC2012 中Yun-longZhang等人发表的 《AutomaticRegisterTransferLevelCADToolDesignforAdvancedClockGating andLowPowerSchemes》中提出了使用门控时钟减少数据路径中不必要的信号翻转。它的 结构如图3所示，只有当时钟(如elk)为低电平时，激活函数(如Fa和Fb)才能传递到与门 的输入端，当时钟由低电平变为高电平并且激活函数为高电平时，时钟信号使能，否则时钟 信号禁止。这种方法可以减少一部分不必要的信号翻转，进而降低功耗。
[0014] 在期刊IEEEASIC0N2007 中JunChao等人发表的《Low-powerimplementations ofDSPthroughoperandisolationandclockgating》文章中提出 了使用操作数隔离减 少数据路径中不必要的信号翻转。该结构的主要特点是在输入信号和计算部件之间插入隔 离逻辑（blockinglogic)。它的工作原理是：若计算部件的运算结果可以传递到最终输出 信号，则隔离逻辑打开，否则隔离逻辑阻止输入信号进入计算部件。它的结构如图4所示， 这种方法对于特定的数据路径可以达到较好的降低功耗的效果。
[0015] 上述为了降低处理器中数据路径的功耗，所采用的门控时钟和操作数隔离方法存 在以下缺点：
[0016] (1)门控时钟不能非常有效地降低不必要的信号翻转。如图3 (a)所示，输出信号 Bus_C根据选通信号Sell_En的值选择Bus_A或者Bus_B输出。但是由于共用一个门控时 钟，因此无论选择哪个信号输出，寄存器组REGl和REG2的时钟信号都不能禁止，无法减少 不必要的信号翻转。
[0017] (2)采用不同的门控时钟可以解决上述问题，即根据选通信号Sell_En的值，分别 禁止寄存器组REGl或者REG2的时钟信号，如图3 (b)所示。但是即使输入信号仙8_八和8118_8保持不变，由于选通信号Sell_En的变化，无法减少信号Bus_C的不必要翻转。同时， 采用不同的门控时钟可能使得时钟信号elk到达寄存器组REGl和REG2的时间不同，造成 时钟偏差（ClockSkew)，增加设计的复杂度。
[0018] (3)操作数隔离需要增加隔离逻辑，当数据路径中的信号位宽较大时(如图4,位宽 为32比特)，需要对每一比特插入一个隔离逻辑。由于隔离逻辑增加功耗和面积，使得操作 数隔离的功耗和面积代价很大。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的在于，提出一种低功耗数据路径结构，该结构相对于传统的数据路 径结构增加了对输入信号寄存器的控制。当数据路径工作时，采用ODC条件检测信号的不 必要翻转，禁止其输入寄存器的使能信号。这样就能减少不必要的信号翻转，从而降低功 耗。
[0020] 为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种数据路径装置，该装置包括：至少一 个复制逻辑和至少一个信号生成模块，所述信号生成模块的第一输入端与所述复制逻辑的 输出端连接，其第二输入端接入功能部件的原使能信号；所述复制逻辑计算所述功能部件 输出信号的可观无关性ODC值，当所述ODC值为第一电平时，所述信号生成模块根据所述 ODC值和所述功能部件的原使能信号生成所述功能部件新的使能信号，所述功能部件新的 使能信号用于禁止所述功能部件输出信号的更新。
[0021] 另一方面，本发明提供了一种数据路径控制方法，该方法包括：计算功能部件输出 信号的可观无关性ODC值，当所述ODC值为第一电平时，根据所述ODC值和所述功能部件的 原使能信号生成所述功能部件新的使能信号，所述功能部件新的使能信号用于禁止所述功 能部件输出彳目号的更新。
[0022] 本发明相对于传统的数据路径结构增加了对输入信号寄存器的控制。在数据路径 工作时，采用可观无关性条件检测信号的不必要翻转，禁止其输入寄存器的使能信号，减少 不必要的信号翻转，从而降低功耗。
【附图说明】
[0023] 图1为现有技术的数据路径结构示意图；
[0024] 图2为逻辑变量的ODC计算结构示意图；
[0025] 图3为门控时钟结构示意图；
[0026] 图4为操作数隔离结构示意图；
[0027] 图5 (a)为本发明实施例提供的一种数据路径装置结构示意图；
[0028] 图5(b)为本发明实施例提供的另一种数据路径装置结构示意图；
[0029] 图6为驱动类部件结构示意图；
[0030] 图7为ODC计算示例图；
[0031] 图8为减少驱动部件输出信号不必要翻转的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0033] 图5(a)为本发明实施例提供的一种数据路径装置结构示意图。如图5(a)所示， 该装置包括复制逻辑10、复制逻辑20、复制逻辑30、信号生成模块60、信号生成模块61、 信号生成模块70、信号生成模块80、第一寄存器组（REG1)、第二寄存器组（REG2)、第三寄 存器（REG3)、第四寄存器（REG4)、第一多路选择器（MUX1)、第二多路选择器（MUX2)、加法器 (ADDER)、控制逻辑40和控制逻辑50。
[0034] 信号生成模块60的第一输入端与复制逻辑10的输出端连接，其第二输入端接入 第三寄存器原使能信号MuxSell_Enb，其输出端输出第三寄存器新的使能信号MuxSell_ Enb_Gated。第三寄存器的输出端与控制逻辑40的一输入端连接。
[0035] 信号生成模块61的第一输入端与复制逻辑10的输出端连接，其第二输入端接入 第四寄存器原使能信号MuxSell_Ena，其输出端输出第四寄存器新的使能信号MuxSell_ Ena_Gated。第四寄存器的输出端与控制逻辑40的另一输入端连接。
[0036] 信号生成模块70的第一输入端与复制逻辑20的输出端连接，其第二输入端接入 第一寄存器组的原使能信号Regl_En，其输出端输出第一寄存器组新使能信号Regl_En_ Gated。第一寄存器组的输出端与第一多路选择器的一输入端连接，并向第一多路选择器输 出Bus_A信号。
[0037] 信号生成模块80的第一输入端与复制逻辑30的输出端连接，其第二输入端接入 第二寄存器组的原使能信号Reg2_En，其输出端输出第二寄存器组新使能信号Reg2_En_ Gated。第二寄存器组的输出端与第一多路选择器的另一输入端连接，并向第一多路选择器 输出Bus_B信号。
[0038] 第一多路选择器的第一输入端接入第一寄存器组的输出信号Bus_A，其第二输入 端接入第二寄存器组的输出信号Bus_B,其输出端与加法器的一输入端连接，并向加法器 输出Bus_C信号。加法器另一输入端接入Bus_ D信号，其输出端与第二多路选择器的一输 入端连接，并向第二多路选择器输出Bus_E信号。
[0039] 控制逻辑40根据第三寄存器的输出信号和第四寄存器的输出信号向第一多路选 择器输出使能信号Sell_En。控制逻辑50根据第五寄存器（图中未不出）的输出信号和第 六寄存器