在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所有計(jì)算機(jī)運(yùn)算（算法、邏輯和存儲(chǔ)進(jìn)程）都參考時(shí)鐘同步執(zhí)行，時(shí)鐘增加了設(shè)計(jì)中的時(shí)序電路數(shù)量。在這個(gè)電池供電設(shè)備大行其道的移動(dòng)時(shí)代，為了節(jié)省每一毫瓦（mW）的功耗，廠商間展開了殘酷的競爭，因此將電路分成多個(gè)電源域并根據(jù)要求關(guān)閉它們，并且在設(shè)計(jì)每個(gè)時(shí)序電路的同時(shí)節(jié)省功耗，這兩點(diǎn)至關(guān)重要。時(shí)序電路（如計(jì)數(shù)器和寄存器）在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中無處不在。本文以約翰遜計(jì)數(shù)器為例介紹了如何采用有效門控時(shí)鐘來設(shè)計(jì)高能效的時(shí)序電路。
　　約翰遜計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，可同步提供多種特殊類型的數(shù)據(jù)序列，這對(duì)于大多數(shù)重要應(yīng)用（如D/A轉(zhuǎn)換器、FSM和時(shí)鐘分頻器）來說至關(guān)重要。為支持不同頻率（從MHz到GHz）的模塊，越來越多的IP集成到片上系統(tǒng)，因此，設(shè)計(jì)中在不同層級(jí)實(shí)施了許多可支持多個(gè)分頻因子的時(shí)鐘分頻器。本文中，我們介紹了一款節(jié)能設(shè)計(jì)，即用帶有門控時(shí)鐘的多級(jí)可編程約翰遜計(jì)數(shù)器系統(tǒng)來取代多個(gè)時(shí)鐘分頻器，該計(jì)數(shù)器可提供8至任何偶數(shù)值（在本文中為38）的時(shí)鐘分頻因子。下面，我們將探討實(shí)施細(xì)節(jié)和該技術(shù)的優(yōu)劣。
　　典型時(shí)序電路
　　圖1給出的是一款傳統(tǒng)4位上升沿約翰遜計(jì)數(shù)器。約翰遜計(jì)數(shù)器只不過是修改過的移位寄存器，其最后一個(gè)D觸發(fā)器的反相輸出作為第一個(gè)D觸發(fā)器的輸入。所有其他觸發(fā)器將接收上一個(gè)觸發(fā)器所提供的輸出。
　　
　　圖1 傳統(tǒng)約翰遜計(jì)數(shù)器
　　如表1所示，在所有的縱列中，4個(gè)連續(xù)的“0”后面都跟隨著4個(gè)連續(xù)的“1”，但所有縱列都位于不同的階段。約翰遜計(jì)數(shù)器可同步創(chuàng)建一個(gè)特定的數(shù)據(jù)模式。該數(shù)據(jù)模式在建模時(shí)非常有用，因?yàn)樗梢允褂萌魏纬轭^就可以產(chǎn)生一個(gè)有不同階段的時(shí)鐘樣式的模式。此外，從表中可以推導(dǎo)出，約翰遜計(jì)數(shù)器只使用了N個(gè)觸發(fā)器提供2N個(gè)狀態(tài)，因此，與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形計(jì)數(shù)器相比，約翰遜計(jì)數(shù)器僅需要一半數(shù)量的觸發(fā)器便可實(shí)現(xiàn)同樣的MOD.
　　
　　表1 約翰遜計(jì)數(shù)器的狀態(tài)圖
　　典型時(shí)序電路的缺陷
　　如圖1所示，這種電路最大的缺點(diǎn)是不可配置，因此，不能改變時(shí)鐘分頻因子。一個(gè)N觸發(fā)器設(shè)計(jì)只能產(chǎn)生2N個(gè)周期的時(shí)鐘。需要預(yù)先將固定數(shù)量的觸發(fā)器加入到設(shè)計(jì)中，才能產(chǎn)生固定周期的時(shí)鐘。這大大阻礙了特定時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，而且多個(gè)這樣的設(shè)計(jì)，需要多種分頻因子來進(jìn)行分頻。
　　另外，該設(shè)計(jì)非常耗能，并且也沒有機(jī)制可通過高效門控時(shí)鐘來節(jié)省動(dòng)態(tài)功耗。如表1所示，Q3只能在時(shí)鐘脈沖2和時(shí)鐘脈沖6中改變其輸出，對(duì)于所有其他時(shí)鐘而言，觸發(fā)器一次又一次地存儲(chǔ)了相同的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致在時(shí)鐘周期內(nèi)產(chǎn)生了不必要的功耗，而采用適合的門控時(shí)鐘可解決該問題。