时钟的相关知识

几乎稍微复杂的数字设计都离不开时钟。 时钟也是所有时序逻辑建立的基础。 前面介绍建立时间和保持时间时也涉及过时钟偏移的概念。 下面将总结下时钟的相关知识，以便更好的进行数字设计。

时钟源

根据时钟源在数字设计模块的位置，可以将时钟源分为外部时钟源和内部时钟源。

外部时钟源：

RC/LC 振荡电路：利用正反馈或负反馈电路产生周期性变化时钟信号。 此类时钟源电路简单，频率变化范围大，但工作频率较低，稳定度不高。

无源/有源晶体振荡器：利用石英晶体的压电效应（压力和电信号可以相互转换）产生谐振信号。 此类时钟频率精度高，稳定性很好，噪声低，温漂小。 有源晶振中，往往还加入了压控或温度补偿，时钟的相位和频率都有较好的特性。 但电路实现相对复杂，频带较窄，频率基本不能调节。

调试特定电路时，往往也会使用一些搭建的特定电路（例如施密特触发器）或信号发生器设备产生的时钟源。

内部时钟源：

锁相环（PLL， Phase Locked Loop）: 利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，通过反馈通路可以将信号倍频到一个较高的固定频率。

一般晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，利用 PLL 路就可以实现稳定且高频的时PLL 集成到设计模块的内部，可以保证数字电路具有较好的延迟和稳定特性。

时钟分频：有些模块工作频率会低于系统时钟频率，此时就需要对系统时钟进行一定的分频得到频率较低的时钟。

通过在 always 语句块中计数并输出时钟信号，是分频器常用的方法。

时钟切换：系统或某些模块的工作频率有时候会在特定状况下改变，例如低功耗模式下需要降频，例如要提高计算能力时需要提高工作时钟的频率。 此时系统往往会有多个时钟源，以备有需求时进行时钟切换。

时钟切换逻辑如果不进行优化，在时钟切换的过度时，大概率会出现尖峰脉冲干扰，会对电路产生不利影响。

数字系统往往会采用外部晶振输入、内部 PLL 进行倍频的方案。 再根据设计需求进行时钟分频或时钟切换。

时钟特性

仿真时，所有同步的时钟都是理想的：时钟的翻转是在瞬间完成的，模块之间的时钟沿都是对齐的，没有延迟的，没有抖动。 实际电路中，时钟在传输、翻转时都会有延迟。 完美的数字设计，也应该考虑这些不完美的时钟特性，否则也会造成时序不满足的状况。

下面对时钟的特性进行简单说明。

时钟偏移（skew）

由于线网的延迟，时钟信号在到达触发器端口时，不能保证不同触发器端口的时钟沿是对齐的，即不同触发器端口的时钟相位存在差异。 这种差异称为时钟偏移。 示意图如下：

一般时钟偏移与时钟频率没有直接的关系，与走线长度、负载电容、负载数量等有关。

时钟抖动（jitter）

相对于理想时钟沿，实际时钟中存在的不随时间积累的、时而超前、时而滞后的偏移称为时钟抖动。 可以用抖动频率和抖动幅度对时钟抖动进行定量描述。 数字设计中，时钟抖动都是用时间来描述，示意图如下。

时钟抖动可分为随机抖动和固定抖动。

随机抖动的来源为热噪声、半导体工艺等。

固定抖动的来源为开关电源、电磁干扰或其他不合理的布局布线等。

在综合工具 Design Compiler 中，时钟的偏移和抖动统一用不确定度 uncertainty 来统一表示。

转换时间（transition）

时钟从上升沿跳变到下降沿，或者从下降沿跳变到上升沿时，并不是“直上直下”不需要时间完成电平跳变，而是“斜坡式”需要一个过渡时间完成电平跳变。 这个过渡时间称之为时钟的转换时间，示意图如下。

转换时间大小与单元库工艺、电容负载等有关。

时钟延时（lantency）

时钟从时钟源（例如晶振、PLL 或分频器输出端）触发到达寄存器端口的延迟时间，称为时钟延时。 时钟延时包含时钟源延迟（source latency）和时钟网络延迟（network latency）,如下图所示。

时钟源延时，是时钟信号从实际时钟原点到设计模块时钟定义点的传输时间。 上图所示为 3ns。

时钟网络延时，是从设计模块时钟定义点到模块内触发器时钟端的传输时间，传输路径上可能经过缓冲器（buffer）。 上图所示为 1ns。

由图可知，时钟源延时（source latency）是设计模块内所有触发器共有的延时，所以不会影响时钟偏移（skew）。

时钟树

数字设计时各个模块应当使用同步时钟电路，同步电路中被相同时钟信号驱动的触发器共同组成一个时钟域。 理想电路中，时钟信号会同时到达同时钟域所有触发器的时钟端。 但是实际中因为各种延迟的存在，这种无延迟的时钟特性是很难实现的。 而且时钟信号的驱动能力有限，难以独立的为一个包含较多的触发器的时钟域提供有效扇出。 为解决时钟延迟与驱动的问题，就需要采用时钟树系统对时钟信号进行管理，来确保时序的良好和大量的扇出。

时钟树，是个由许多缓冲单元 (buffer cell) 平衡搭建的网状结构。 一般由一个时钟源点，经一级一级的缓冲单元搭建而成。 增加 clock buffer（图中橙色三角模块） 的实际时钟树结构如下所示。

蓝色的上升沿符号表示时钟的转换时间（transition），红色的实线则表示时钟延时 (latency)，包含 network delay 和 source latency，绿色的虚线表示时钟不确定度（uncertainty），包括时钟偏移（skew）和时钟抖动（jitter）。

时钟树并不是来减少时钟信号到达各个触发器的时间，而是减少到达各个触发器之间的时间差异。 一般是后端设计人员通过插入 clock buffer 完成时钟树的设计。 前端设计人员，往往需要保证时钟方案与数字逻辑的功能正确性。

其他时钟分类：

同步、异步时钟

当时钟同源且满足整数倍关系是，一般可以认为时钟是同步的。 数字设计中同步时钟的定义比较宽泛。 同时钟域下的逻辑不需要进行同步处理。

下面从同步电路的角度来理解同步时钟的概念。

同步电路是由时序和组合逻辑电路构成的电路。 同步电路的特点是各触发器的时钟端全部连接在一起，并接在系统时钟端。 只有当时钟脉冲到来时，电路的状态才能改变。 改变后的状态将一直保持到下一个时钟脉冲的到来。 这期间无论外部输入 x 有无变化，状态表中的每个状态都是稳定的。

门控时钟

门控时钟的基本原理：使能信号有效的时候，打开时钟。 使能信号无效的时候，关闭时钟。

由于门控时钟可以将工作时钟在适合的时间关闭，所以门控时钟在低功耗设计中有着广泛应用。 门控时钟最简单是实现逻辑是将使能信号直接与时钟信号做“与”操作，但这样是不安全的，容易出现毛刺现象。 详细门控时钟介绍请参考《6.4 RTL 级低功耗设计（下）》。

双边沿时钟

某些模块可以在时钟的上升沿和下降沿都进行数据传输，达到速率增倍的效果。

DDR (Double Data Rate) SDRAM 是典型的采用双边沿传输数据的例子。

典型 DDR 数据传输示意图如下。

下面对时钟双边沿传输数据的行为进行一个简单的仿真。

基本设计思路是，利用时钟双边沿对数据进行读取，然后通过与时钟相反的片选信号对数据进行选择输出，完成数据在时钟双边沿的传输。

Verilog 代码描述如下 。

module double_rate(
    input               rstn ,
    input               clk,
    input               csn,


    input [7:0]         din,
    input               din_en,
    output [7:0]        dout,
    output              dout_en);


   //capture at posedge
   reg [7:0]            datap_r ;
   reg                  datap_en_r ;
   always @(posedge clk or negedge rstn) begin
      if (!rstn) begin
         datap_r        <= 'b0 ;
         datap_en_r     <= 1'b0 ;
      end
      else if (din_en) begin
         datap_r        <= din ;
         datap_en_r     <= 1'b1 ;
      end
      else begin
         datap_en_r     <= 1'b0 ;
      end
   end


   //capture at negedge
   reg [7:0]            datan_r ;
   reg                  datan_en_r ;
   always @(negedge clk or negedge rstn) begin
      if (!rstn) begin
         datan_r        <= 'b0 ;
         datan_en_r     <= 1'b0 ;
      end
      else if (din_en) begin
         datan_r        <= din ;
         datan_en_r     <= 1'b1 ;
      end
      else begin
         datan_en_r     <= 1'b0 ;
      end
   end


   assign dout = !csn ? datap_r : datan_r ;
   assign dout_en = datan_en_r | datap_en_r ;
endmodule

testbench 描述如下，其中双边沿数据传输模块的时钟频率为 100MHz，但输入的数据速率为 200MHz。

`timescale 1ns/1ps
module test ;
   reg          clk_100mhz, clk_200mhz ;
   reg          rstn ;
   reg          csn ;
   reg [7:0]    din ;
   reg          din_en ;
   wire [7:0]   dout ;
   wire         dout_en ;


   always #(2.5)    clk_200mhz  = ~clk_200mhz ;
   always @(posedge clk_200mhz)
                    clk_100mhz  = ~clk_100mhz ;


   initial begin
      clk_100mhz  = 0 ;
      clk_200mhz  = 0 ;
      rstn        = 0 ;
      din         = 0 ;
      din_en      = 0 ;
      csn         = 0 ;
      //start work
      #11 rstn    = 1 ;
      @(negedge clk_100mhz) ;
      din_en      = 1 ;
      #0.2 ;
      csn         = 1 ; //csn=1 时输出下降沿采集的数据
      //generate csn
      forever begin
         @(posedge clk_100mhz) ;
         #0.2 ;         //增加些许延迟确保数据采集正确
         csn = 0 ;      //csn=0 时输出上升沿采集的数据
         @(negedge clk_100mhz) ;
         #0.2 ;
         csn = 1 ;      //csn=1 时输出下降沿采集的数据
      end
   end


   always @(negedge clk_200mhz) begin
      din <= {$random()} % 8'hFF ;  //产生传输的随机数据
   end


   double_rate u_double_rate(
     .rstn      (rstn),
     .clk       (clk_100mhz),
     .csn       (csn),
     .din       (din),
     .din_en    (din_en),
     .dout      (dout),
     .dout_en   (dout_en));


   initial begin
      forever begin
         #100;
         if ($time >= 10000)  $finish ;
      end
   end


endmodule

前几个数据的仿真结果如下。

由图可知，数据传输正常，且速率为时钟频率的 2 倍。

本次只是对时钟双边沿传输数据进行简单的仿真，并不是仿真 DDR 的工作原理。 DDR 双倍速率传输数据的工作原理远比此次仿真复杂的多。

但是一般情况下，不建议使用双边沿时钟逻辑，主要有以下几点原因。

always 块中，不能同时使用上升沿和下降沿作为敏感列表，也不能在 2 个always 块中为同一个变量赋值，例如下列描述就是错误的。 虽然 RTL 编译可能不会报错，但也不能综合成实际电路。 这就导致了信号间通信的难度。

always @(posedge clk or negedge clk) begin

数据传输速率是数据时钟频率的两倍，如果使用时钟上升沿和下降沿逻辑进行 RTL 建模，则还需要翻转速率和时钟一致的片选信号； 如果不使用片选信号，模块内应该引入数据时钟频率 2 倍的同源时钟信号，才可以正常对数据进行选择。

当使用的双边沿时钟逻辑之后，需要对上升沿和下降沿都进行合理的约束。 时钟约束就会变得复杂，布局布线要求更加严格，调试难度增加。

使用时钟双边沿进行设计，要求时钟的质量很高，设计时钟树时也需要考虑众多因素。