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一種MCU時鐘系統(tǒng)的設(shè)計
摘要：介紹了一個基于ＭＣＵ內(nèi)核的時鐘系統(tǒng)的設(shè)計，給出了其電路結(jié)構(gòu)并詳細(xì)地分析了系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)能生成兩相不重疊時鐘，利用靜態(tài)鎖存器保存動態(tài)信息，提供三種電源管理方式以適應(yīng)低功耗應(yīng)用。在上華（ＣＳＭＣ）０．６μｍ工藝庫下，利用ＣａｄｅｎｃｅＥＤＡ工具對電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：微控制器時鐘系統(tǒng)兩相不重疊時鐘
時鐘系統(tǒng)是微控制器（ＭＣＵ）的一個重要部分，它產(chǎn)生的時鐘信號要貫穿整個芯片。時鐘系統(tǒng)設(shè)計得好壞關(guān)系到芯片能否正常工作。在工作頻率較低的情況下，時鐘系統(tǒng)可以通過綜合產(chǎn)生，即用Ｖｅｒｉｌｏｇ／ＶＨＤＬ語言描述電路，并用ＥＤＡ工具進(jìn)行綜合。然而，用工具綜合存在電路性能低、優(yōu)化率不高的問題，不適合應(yīng)用在各種高性能微處理器芯片上。而采用人工設(shè)計邏輯并手工輸入電路圖甚至物理版圖的方式，能使設(shè)計的電路靈活，性能更好�；谶@些考慮，設(shè)計了一個ＭＣＵ時鐘系統(tǒng)。
１基本時鐘輸入的選擇
�。茫校蘸朔治⑻幚砥鳎ǎ停校眨┖臀⒖刂破鳎ǎ停茫眨�，兩者的基本時鐘一般都以單頻方波的形式提供。時鐘有三種產(chǎn)生方式：
（１）用晶體振蕩器產(chǎn)生精確而穩(wěn)定的時鐘信號；
�。ǎ玻┯脡嚎卣袷幤鳟a(chǎn)生可調(diào)頻率范圍較寬的時鐘信號；
�。ǎ常┙Y(jié)合以上兩種技術(shù)，用壓控振蕩器生成時鐘信號。
基本時鐘信號的產(chǎn)生可以有芯片外和芯片內(nèi)兩種方法。但是時鐘信號必須是穩(wěn)定的信號，對于穩(wěn)定度要求特別高的場合（如ＭＰＵ和ＭＣＵ），采用芯片外提供是必不可少的。故本設(shè)計采用外接晶振的方法。
�。矁上鄷r鐘方案
時鐘技術(shù)是決定和影響電路功耗的主要因素，時鐘偏差是引起電路競爭冒險的主要原因。為了消除競爭、提高頻率、降低功耗，在基本時鐘方案方面，ＭＰＵ和ＭＣＵ一般有三種選擇：單相時鐘、多相時鐘和沿觸發(fā)方案。在當(dāng)前的設(shè)計中，沿觸發(fā)方案由于在數(shù)據(jù)傳遞方面有一定困難已很少被使用。單相時鐘方案因為在時序和傳輸上比較簡單可靠，在所有的方案中使用的晶體管也是最少，所以被一些高性能芯片使用，如ＤＥＣ公司?現(xiàn)被ＨＰ公司并購?的Ａｌｐｈａ２１６６４微處理器。但是，對ＣＭＯＳ電路來說，采用單相時鐘就無法使用動態(tài)電路，而且因組合邏輯塊中邏輯元件的速度高低都受到限制而呈現(xiàn)困難。
圖１是一個單相有限狀態(tài)機(jī)，圓圈內(nèi)為組合邏輯塊ＣＬ。
設(shè)ＴＬ＋ＴＨ＝ＴＰ，其中ＴＰ為時鐘周期，ＴＨ和ＴＬ分別為時鐘高電平和低電平時間。如果要使時鐘定時與數(shù)據(jù)無關(guān)，則最長的傳播延遲必須小于ＴＰ，信號（甚至可能是由于內(nèi)部競爭冒險產(chǎn)生的尖峰所造成的假信號）到達(dá)ＣＬ輸出端可能取的最短時間必須大于ＴＨ。令τＣＬ代表ＣＬ延遲范圍，則：
�。裕龋鸡樱茫蹋迹裕校ǎ保�
�。ǎ保┦奖砻�，信號通過ＣＬ的每一個延遲都必須介于ＴＨ和ＴＰ之間。正是這種雙邊約束特性使單相時鐘難以實現(xiàn)。對于多相時鐘，則可以消除這種雙邊約束，而使其轉(zhuǎn)化為單邊約束。圖２（ａ）所示為采用兩相非重疊時鐘Φ１和Φ２（Φ１×Φ２＝０），對應(yīng)時鐘波形示于圖２（ｂ），Ｔ１和Ｔ３分別是Φ１和Φ２為高電平時的時間，Ｔ２是Φ１到Φ２之間電平為低的時間，Ｔ４則是Φ２到Φ１之間電平為低的時間。當(dāng)Φ２電平變高時信號開始通過ＣＬ傳輸，并且必須在Φ１電平變低之前結(jié)束。于是得：
τＣＬ＜Ｔ１＋Ｔ３＋Ｔ４或τＣＬ＜Ｔｐ－Ｔ２（２）
其中，Ｔｐ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４
圖4二分頻電路及時鐘驅(qū)動器
這樣就可把雙邊約束（１）式簡化為單邊約束（２）式了。無論是有效信號或是無效信號，都可以以任意快的速度通過ＣＬ而不會造成競爭。
當(dāng)然，相數(shù)過多又會使設(shè)計復(fù)雜度提高，因此這里選擇了兩相不重疊時鐘。
�。硶r鐘系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計
�。常眱上嗖恢丿B時鐘產(chǎn)生的方法
兩相不重疊時鐘產(chǎn)生電路如圖３所示。ｃｌｋ為外部晶振產(chǎn)生的送入ＭＣＵ的單相時鐘，Ｉ１是ＭＣＵ內(nèi)部產(chǎn)生的保護(hù)信號，正常工作時Ｉ１為低電平，發(fā)生故障時?如由于噪聲干擾導(dǎo)致ＰＳＥＮ和ＲＤ、ＷＲ同時有效的錯誤發(fā)生時?Ｉ１變成高電平而關(guān)閉時鐘；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時，會使得圖３中Ｉ１為低電平，恢復(fù)ｃｌｋ的輸入。由于正常情況下ＰＤ為低電平，所以ｃｌｋ等同于經(jīng)過三個非門變成圖中的單相輸入信號，加到用“或非”門交叉而構(gòu)成的Ｒ－Ｓ觸發(fā)器，單相時鐘從左邊加到一個“或非”門上，反相后加到另一個“或非”門上，這樣得到的ＣＫ１和ＣＫ２是不重疊的。單相時鐘與雙相時鐘的對應(yīng)關(guān)系如圖３所示。
當(dāng)信號Ｖ變成高電平時（因為正常工作時ＰＤ一直保持為０），Ｍ１管關(guān)斷，信號就一直保存在靜態(tài)鎖存器中。每當(dāng)時鐘信號變高時，就把靜態(tài)鎖存器的輸出傳給Ｗ，使得Ｗ一直處于低電平而不影響“或非”門Ａ１，故圖３中Ａ１可以簡化為二輸入。
在時鐘受到一個邏輯信號（也就是門控時鐘）控制的情況下，可能會有一些動態(tài)節(jié)點(diǎn)不被刷新。為了避免這種錯誤，采用由一個ＮＭＯＳ控制管Ｍ２加兩個交叉耦合反相器組成靜態(tài)鎖存器。其中反饋管采用的倒比Ｗ／Ｌ很�。ǎ迹保梢宰鳛殡娖交謴�(fù)器件，這樣有利于保存信息。
３．２二分頻電路
通常把一周期指令的執(zhí)行時間稱為一個機(jī)器周期，并進(jìn)一步劃分為２～６個狀態(tài)（高速ＭＣＵ到標(biāo)準(zhǔn)ＭＣＵ），每一狀態(tài)有兩相時鐘，即為兩個節(jié)拍，每個節(jié)拍持續(xù)一個振蕩周期。如何向芯片內(nèi)部提供一個兩節(jié)拍的時鐘信號呢？這就需要二分頻電路對外部振蕩信號進(jìn)行分頻，使得在每個時鐘的前半周期，節(jié)拍１信號有效；后半周期，節(jié)拍２信號有效。
二分頻電路是由兩個靜態(tài)鎖存器組成的觸發(fā)器，如圖４所示。其中ＣＫ１和ＣＫ２是兩相不重疊時鐘，當(dāng)ＣＫ１＝０，ＣＫ２＝１時，靜態(tài)鎖存器ｂ的輸出經(jīng)過一個反相器提供ＣＫ３和ＣＫ４，使得ＣＫ３＝０，ＣＫ４＝１；經(jīng)過半個周期后，ＣＫ１＝１，ＣＫ２＝０，Ｍ４斷開，低電平信號存儲在靜態(tài)鎖存器ａ中，使ＣＫ３的值不變，這樣ＣＫ３延續(xù)了一個周期的低電平（高電平），就形成了兩分頻，如此形成的時鐘信號周期增加一倍。ＣＫ４由ＣＫ３經(jīng)過一個反相器形成，兩者相位相反。
３．３時鐘驅(qū)動器及分配
影響時鐘偏差主要有以下幾個因素：
·連接時鐘數(shù)的連線；
·時鐘數(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
·時鐘的驅(qū)動；
·時鐘線的負(fù)載；
·時鐘的上升及下降時間。
在ＭＣＵ內(nèi)部，時鐘信號要驅(qū)動大的負(fù)載，是負(fù)載最重的信號，有可能導(dǎo)致電路延時和時鐘偏差。消除的方法之一是增強(qiáng)驅(qū)動能力。設(shè)計的驅(qū)動器如圖４（二分頻電路除外）所示。最初的時鐘信號由二分頻電路輸出的ＣＫ３和ＣＫ４提供。值得注意的是，為了提高翻轉(zhuǎn)速度增加了旁路管，即ＰＭＯＳ晶體管Ｍ５、Ｍ７和ＮＭＯＳ晶體管Ｍ６、Ｍ８，而且它們的Ｗ／Ｌ比要取得足夠大?如設(shè)計的為３５０／１，這樣就不需要外部附加自舉電容。當(dāng)然為了防止導(dǎo)通電流過激（ｄｉ／ｄｔ），可以加入電阻起穩(wěn)定作用。該時鐘驅(qū)動器的一個重要特點(diǎn)，就是所產(chǎn)生的兩相不重疊時鐘的相位與時鐘負(fù)載無關(guān)，輸出Ｃｌｋ３和Ｃｌｋ４能高到ＶＤＤ電平和低到地電平。
圖6IDL控制通生CPU內(nèi)部的時鐘信號
在ＭＣＵ內(nèi)部合理分配時鐘網(wǎng)絡(luò)。通常有兩種方法：線形緩沖和樹形緩沖�？紤]到ＭＣＵ內(nèi)部時鐘負(fù)載比較大，采用圖５所示的樹形緩沖將時鐘電路分成若干分支。時鐘分配的各個分支在各級之間具有相同的相對扇出，同時每個分支所帶負(fù)載數(shù)目基本相同，因為不平衡的分支是時鐘歪斜的主要原因。
�。常吹凸脑O(shè)計
低功耗設(shè)計要求時鐘網(wǎng)絡(luò)盡量簡單，晶體管尺寸盡量小，并且應(yīng)盡量減少不必要的電路節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，所以設(shè)計的ＭＣＵ一方面要大量采用只有三個元件組成的靜態(tài)鎖存器，參見圖３；另一方面要有三種工作功率管理模式，即正常、空閑、掉電三種方式，以滿足低功耗方式的應(yīng)用。因此，內(nèi)部所使用的時鐘分三類，第一類送入部分控制器和數(shù)據(jù)通道（ＣＰＵ核），在低功耗方式（空閑）下時鐘關(guān)閉，如圖６中的Ｃｌｋ５和Ｃｌｋ６；第二類用于控制定時器，如Ｃｌｋ１和Ｃｌｋ２；第三類則用于控制中斷電路和串行口的時鐘，如Ｃｌｋ３和Ｃｌｋ４。后兩類不受低功耗方式的限制。
�。ǎ保┰诘綦姺绞剑ǎ校模剑保┫�，時鐘信號發(fā)生器及內(nèi)部所有的
功能部件都停止工作。如圖３所示，ＰＤ＝１時，封鎖一個“與非”門和一個“或非”門，使Ｖ一直為低電平，輸給Ｒ－Ｓ觸發(fā)器的單相時鐘的狀態(tài)被固定，或為低電平或為高電平，這樣整個芯片的時鐘信號被凍結(jié)。
�。ǎ玻┰诳臻e方式（ＩＤＬ＝１）下，時鐘信號繼續(xù)提供給中斷邏輯、串行口、定時器，但ＣＰＵ的時鐘被切斷了。如圖６所示，ＩＤＬ＝１時，“或非”門輸出為低電平，“與非”門輸出為高電平，通過時鐘驅(qū)動器使得Ｃｌｋ５＝１、Ｃｌｋ６＝０，這樣通往ＣＰＵ的信號就被凍結(jié)了。
圖7用CSMC0.6um工藝庫對時鐘電路的邏輯仿真
�。丛O(shè)計驗證與總結(jié)
綜合圖３、圖４、圖６就構(gòu)成了整個時鐘系統(tǒng)。為了對電路進(jìn)行邏輯仿真，首先在ＣＡＤＥＮＣＥ的Ｃｏｍｐｏｓｅｒ－ｓｃｈｅｍａｔｉｃ中調(diào)用ＣＳＭＣ０．６μｍ標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫，設(shè)置好管子參數(shù)，畫出電路圖。然后進(jìn)入ＡｎａｌｏｇＡｒｔｉｓｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ環(huán)境進(jìn)行參數(shù)較理想化的電路仿真。其中ｃｌｋ的脈寬為０．５μｓ，周期為１μｓ，將各種信號（如ＰＤ、ＩＤＬ）的上升時間和下降時間設(shè)置為０．００２μｓ?整個仿真時間�。保鼎蹋螅瑓⒖茧妷簽椋担�，得到的仿真結(jié)果如圖７所示�？梢钥吹剑桑保剑睍r，通往內(nèi)部的各時鐘信號被封鎖；ＰＤ＝１時，所有時鐘（Ｃｌｋ１～Ｃｌｋ６）被凍結(jié)；而ＩＤＬ＝１時?只有通往ＣＰＵ的Ｃｌｋ５和Ｃｌｋ６被凍結(jié)，因此各信號滿足設(shè)計要求。
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