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Cadence EDA工具對電路進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的準確性。 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 CPU核分微處理器(MPU)和微控制器(MCU)，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; (2)用壓控振蕩器產(chǎn)生可調(diào)頻率范圍較寬的時鐘信號; (3)結(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。
2 兩相時鐘方案 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，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： ＴＨ ＜ τＣＬ ＜ ＴＰ （１） （１）式表明，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%26;#215;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。 ３ 時鐘系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計 ３．１ 兩相不重疊時鐘產(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)行時間稱為一個機器周期，并進一步劃分為2～6個狀態(tài)(高速MCU到標準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： %26;#183;連接時鐘數(shù)的連線; %26;#183;時鐘數(shù)的拓撲結(jié)構(gòu); %26;#183;時鐘的驅(qū)動; %26;#183;時鐘線的負載; %26;#183;時鐘的上升及下降時間。 在MCU內(nèi)部，時鐘信號要驅(qū)動大的負載，是負載最重的信號，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，就是所產(chǎn)生的兩相不重疊時鐘的相位與時鐘負載無關(guān)，輸出Clk3和Clk4能高到VDD電平和低到地電平。 圖6 IDL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。 3.4 低功耗設(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。 (1)在掉電方式(PD=1)下，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)。 (2)在空閑方式(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CSMC 0.6um工藝庫對時鐘電路的邏輯仿真 4 設(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)。為了對電路進行邏輯仿真，首先在CADENCE 的 Composer-schematic中調(diào)用CSMC 0.6μm標準單元工藝庫，設(shè)置好管子參數(shù)，畫出電路圖。然后進入Analog Artist Simulation環(huán)境進行參數(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?整個仿真時間取16μs，參考電壓為5V，得到的仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹絀1=1時，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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