بوابات الساعة

في هندسة الحاسوب ، تُعدّ تقنية بوابات الساعة أسلوبًا شائعًا لإدارة الطاقة ، يُستخدم في العديد من الدوائر المتزامنة لتقليل استهلاك الطاقة الديناميكي (وهو مصدر رئيسي لاستهلاك الطاقة في التصاميم الرقمية)، وذلك عن طريق إزالة إشارة الساعة عندما تكون الدائرة، أو جزء منها، في وضع الخمول. تُوفّر تقنية بوابات الساعة الطاقة من خلال تقليص جزء من توزيع شجرة الساعة ، على حساب إضافة المزيد من المنطق إلى الدائرة.

يؤدي تقليم إشارة الساعة إلى إيقاف تشغيل أجزاء من الدائرة بحيث لا تقوم القلابات فيها بتغيير حالتها، لأن تغيير الحالة يستهلك طاقة. وعندما لا تكون قيد التشغيل، يقل استهلاك الطاقة اللازم للتبديل . وتُعد هذه التقنية فعالة بشكل خاص في الأنظمة التي تتميز بفترات خمول طويلة أو فترات عدم نشاط متوقعة ضمن وحدات محددة.

تستهلك الدوائر الرقمية الطاقة عبر آليات متعددة، تُصنف عادةً إلى مكونات ديناميكية وثابتة. ويمكن للمعادلة التالية وصف متوسط ​​استهلاك الطاقة في دائرة CMOS:

${\displaystyle P_{\text{avg}}=P_{\text{dynamic}}+P_{\text{short}}+P_{\text{leakage}}+P_{\text{static}}}$

• _{ينتج التيار الديناميكي} P عن شحن وتفريغ الأحمال السعوية أثناء عمليات الانتقال المنطقي. وهو يتناسب طرديًا مع نشاط التبديل، والسعة، ومربع جهد التغذية، وتردد الساعة.
• _{يحدث قصر الدائرة} P أثناء انتقالات الإشارة، عندما يقوم كل من ترانزستورات PMOS و NMOS بتوصيل التيار في وقت واحد لفترة وجيزة، مما يؤدي إلى إنشاء مسار تيار دائرة قصر قصير بين الطاقة والأرض.
• _{يحدث تسرب الطاقة} من النوع P نتيجة لتيارات التسرب تحت العتبة وتيارات التسرب عبر البوابة، والتي تحدث حتى عندما تكون الترانزستورات في وضع الإيقاف. ويزداد هذا المكون أهمية في تقنيات النانو الدقيقة.
• يشمل P _static الطاقة التي تستهلكها الكتل التي تعمل باستمرار، مثل دوائر التحيز أو مولدات المرجع، وهو موجود حتى في ظروف الاستعداد.

تُحدد هذه المكونات مجتمعةً إجمالي استهلاك الطاقة للنظام الرقمي، ويُعدّ تحسينها أمراً بالغ الأهمية لتصميم أنظمة منخفضة الطاقة. ^{[ 1 ]}

تزداد أهمية هذه المكونات في الدوائر المتكاملة الحديثة، لا سيما مع تطور التكنولوجيا، حيث يمكن أن يشكل تسرب الطاقة وقصر الدائرة جزءًا كبيرًا من إجمالي ميزانية الطاقة. ^{[ 1 ]}

تُعدّ تقنية التحكم في توقيت الساعة إحدى التقنيات المستخدمة لتقليل استهلاك الطاقة في الدوائر الرقمية. وهي تستهدف تحديدًا مُكوّن الطاقة الديناميكية (P _dynamic ) عن طريق خفض عمليات التبديل غير الضرورية في إشارات الساعة. ويمكن تقريب الطاقة الديناميكية بالمعادلة التالية:

${\displaystyle P_{\text{dynamic}}=\alpha \cdot C_{L}\cdot V_{dd}^{2}\cdot f}$

أين:

• α هو عامل نشاط التبديل،
• C _L هي سعة الحمل،
• V _dd هو جهد التغذية،
• f هو تردد الساعة.

من خلال إيقاف إشارة الساعة عن أجزاء الدائرة عند عدم استخدامها، يقلل التحكم في إشارة الساعة من قيمة α ، مما يقلل بالتالي من استهلاك الطاقة الديناميكية الإجمالي. وهذا يختلف عن تقنية التحكم في الطاقة ، التي تقطع مصدر الطاقة تمامًا وتقلل في الوقت نفسه من مصادر تبديد الطاقة المتعددة.

تعتمد تقنيات التحكم في توقيت الساعة عادةً على استهداف مناطق توقيت محددة. ولتطبيق هذه التقنيات، غالباً ما يكون من الضروري تعديل المسجلات/القلابات في الدائرة بحيث يمكن التحكم بها وفصلها عن شبكة توزيع التوقيت، مما يؤدي فعلياً إلى عزل كتل المنطق التوافقي .

يمكن للدوائر الخارجية التحكم في إشارات الساعة والتنشيط من خلال تقنية تُعرف باسم القلابات الممكّنة، أو يمكن توليدها داخليًا باستخدام طرق بوابات الساعة التقليدية.

عندما يتم ضبط إشارة التحكم (CNTRL) على 1، تقوم دائرة بوابة الساعة بإيقاف تشغيل الساعة عن طريق تثبيتها عند مستوى منطقي ثابت، إما 0 أو 1. يستخدم أحد التطبيقات النموذجية ترانزستور تمرير CMOS يتم التحكم فيه بواسطة إشارة التحكم المعكوسة.

يمكن إضافة منطق التحكم في توقيت الساعة إلى التصميم بعدة طرق:

1. يمكن ترميزها في كود مستوى نقل السجلات (RTL) كشروط تمكين يمكن ترجمتها تلقائيًا إلى منطق بوابة الساعة بواسطة أدوات التركيب (بوابة الساعة الدقيقة).
2. يمكن إدراجها في التصميم يدويًا بواسطة مصممي RTL (عادةً كبوابة ساعة على مستوى الوحدة) عن طريق إنشاء خلايا بوابة الساعة المتكاملة الخاصة بالمكتبة (ICG) لبوابة ساعات وحدات أو سجلات معينة.
3. يمكن إدراجها شبه تلقائياً في RTL باستخدام أدوات التحكم الآلي في توقيت الساعة. تقوم هذه الأدوات إما بإدراج خلايا ICG في RTL أو بإضافة شروط التمكين إلى كود RTL. كما توفر هذه الأدوات عادةً تحسينات متسلسلة للتحكم في توقيت الساعة.

تُعرف عملية التحكم التسلسلي في إشارة الساعة بأنها عملية نشر شروط التمكين عبر العناصر التسلسلية السابقة واللاحقة، مما يسمح بالتحكم في إشارات الساعة لسجلات إضافية. ^{[ 3 ]} وتوسع هذه التقنية نطاق التحكم في إشارة الساعة ليشمل ما هو أبعد من القلابات الفردية، وذلك لتحسين توفير الطاقة في أجزاء أكبر من الدائرة.

تُطبّق الرقاقات المصممة للتطبيقات التي تعمل بالبطاريات أو التطبيقات منخفضة الطاقة للغاية - مثل الهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء والأنظمة المدمجة - عادةً استراتيجيات متعددة للتحكم في تردد الساعة في آنٍ واحد. يتضمن التحكم اليدوي في تردد الساعة برامج تشغيل تُفعّل أو تُعطّل ترددات الساعة لمختلف وحدات التحكم الخاملة. في المقابل، يستخدم التحكم التلقائي في تردد الساعة آليات مادية لاكتشاف متى يكون تردد الساعة غير ضروري، ثم يُعطّله تلقائيًا. غالبًا ما تعمل هذه الأساليب معًا ضمن نفس شجرة التفعيل. على سبيل المثال، قد يستخدم ناقل أو جسر داخلي التحكم التلقائي، مما يُبقي تردد الساعة مُعطّلاً حتى يتم الوصول إليه بواسطة وحدة المعالجة المركزية أو محرك الوصول المباشر إلى الذاكرة . في المقابل، قد يتم تعطيل الأجهزة الطرفية على هذا الناقل بشكل دائم إذا لم يتم استخدامها في تصميم لوحة معين.

يمكن أيضًا استخدام تقنية التحكم في إشارة الساعة لتقليل المساحة. إذا كانت العديد من المسجلات لها نفس إشارة التمكين، فإن التحكم فيها عند نقطة أعلى في شجرة الساعة قد يكلف مساحة بوابة ساعة متكاملة واحدة فقط، ولكنه سيوفر مساحة تعادل مساحة مُضاعِف إرسال 2:1 (مُضاعِف الإرسال ذو التغذية الراجعة المستخدم عادةً لتنفيذ التمكين) لكل مسجل له إشارة التمكين هذه.

• التحكم في الطاقة
• إزالة الخلل
• تغيير تردد الصوت الديناميكي
• تشغيل الأجهزة الطرفية المستقل