時鐘是SOC或塊級設(shè)計最重要的組成部分之一，在設(shè)計概念構(gòu)思/規(guī)劃階段中，需要很好地定義和理解時鐘的架構(gòu)。單個SOC擁有各類模塊，如內(nèi)核、閃存、存儲器和外設(shè)，這些模塊需要在不同頻率下運行。它們的最大運行速率可能受到所使用的實現(xiàn)技術(shù)、實施架構(gòu)、功率目標、以及IP訪問時間等因素的限制。時鐘分頻器電路是必不可少的，它可以從主鎖相環(huán)（PLL）/振蕩器時鐘，或任何系統(tǒng)時鐘中產(chǎn)生分頻時鐘，并將不同的分頻時鐘饋送到不同的器件模塊。由于時鐘也可以被應(yīng)用驅(qū)動，時鐘分頻器必須是可配置的。需要可配置性的原因有很多，包括：
* 以較低的頻率運行系統(tǒng)時鐘，從而減少動態(tài)功耗。
* 以高于或低于處理器的頻率運行外設(shè)的狀態(tài)機。
* 設(shè)置發(fā)送/接收外設(shè)幀的波特率。
本文闡述了目前SOC中各種可配置時鐘分頻器邏輯的實施方案，強調(diào)了各自的問題、優(yōu)勢及局限性。可配置分頻有各種實施方案，但是數(shù)字化設(shè)計行業(yè)中最簡單且最經(jīng)常使用的實施方案包括：
* 紋波分頻器
* 具有50％占空比的基于Div解碼的2N倍分頻器
* 不具有50％占空比的基于時鐘門控使能技術(shù)的整數(shù)分頻器
* 具有整數(shù)分頻和50％占空比的基于多路選擇器的分頻器。
紋波分頻器
圖1：可配置紋波分頻器的電路示意圖。
紋波分頻器是傳統(tǒng)的分頻器，由于它們在安裝和保持時間上有嚴格的要求，目前的SoC設(shè)計中通常避免使用這種分頻器。
優(yōu)勢：
* RTL復雜性最小
* 生成的分頻時鐘占空比為50％。
局限性：
* 時鐘時延隨著更高版本分頻時鐘的應(yīng)用而增加（時鐘上升沿的延遲大小排列為DIV16> DIV8> DIV4> DIV2> DIV1。）
如果啟動時鐘和捕獲時鐘從帶不同分頻因子的不同分頻器產(chǎn)生，這個缺陷可能導致更大的路徑不一致。
例如，設(shè)想一個帶兩個紋波分頻器的簡單時鐘架構(gòu)（見下圖），其中一個用于為內(nèi)核提供時鐘，另一個用于為閃存提供時鐘。兩個時鐘之間的比例必須是4:1。這會導致設(shè)計本身有意想不到的偏差。
圖2：可配置時鐘示例。
閃存時延–平臺時延= 2個觸發(fā)器的CK-Q延遲
* 即使有時鐘樹平衡，也要確保強大的時序簽收功能，這對于設(shè)計進入投產(chǎn)階段非常重要。STA工程師需要在四個不同觸發(fā)器的輸出上定義時鐘，因為每個觸發(fā)器都在生成具有不同時延的時鐘。這增加了人工工作，需要在設(shè)計中人工定義并檢查所有可能生成的時鐘。
基本RTL如下所示：
圖3：Div解碼分頻器實施。
在需要分頻的輸入時鐘的每個上升沿上都更新一次postscale_count寄存器的值。分頻時鐘可以從postscale_count寄存器的MSB中產(chǎn)生。下一個計數(shù)寄存器的值取決于分頻因子。
優(yōu)勢：
* 這類分頻器擁有最簡單的RTL。
* 它們產(chǎn)生的輸出時鐘占空比為50％，且不會像紋波分頻器一樣導致固有偏移，因為分頻時鐘總產(chǎn)生于一個點。
局限性：
* 這類分頻器僅限于2N倍分頻。
基于時鐘門控使能的整數(shù)分頻器或穿通分頻器
圖4顯示了一個簡單的穿通時鐘分頻器實施過程。
圖4：基于時鐘門控的分頻器。
圖5顯示了3分頻時鐘生成的波形圖。
M bit m=log2N(max): M bit m=log2N(max)
圖5：3分頻時鐘生成的波形圖。[!--empirenews.page--]
一旦存儲（N-1）寄存器值達到零，倒數(shù)計數(shù)器將被初始化。電路中的鎖存器確保“NOR”門輸出產(chǎn)生的使能只有在時鐘為低時被傳播到AND門。如果沒有鎖存器，輸出時鐘可能產(chǎn)生故障。
優(yōu)勢：
* 對于基于時鐘門控的分頻器，RTL是相當簡單的，另外，穿通時鐘方案顯著減少了高速時鐘DFT復雜性。
局限性：
* 某些IP，如DDR，要求占空比為50％，這對于穿通時鐘是不可能實現(xiàn)的。
* 從時鐘上升沿開始到時鐘下降沿結(jié)束的時序路徑必須在1/2的時鐘頻率處相遇，也就是說，STA團隊必須在時鐘架構(gòu)確定前，檢查設(shè)計中這些關(guān)鍵時序路徑。
基于多路選擇器的分頻器
基于多路選擇器的分頻器的實現(xiàn)如下所示，隨附進行三分頻時的波形樣本?；诙嗦愤x擇器的分頻器讓時鐘流經(jīng)2:1多路選擇器的選擇引腳。多路選擇器數(shù)據(jù)引腳的使能值隨著輸入時鐘切換，使得多路選擇器輸出產(chǎn)生的邏輯正是所需的時鐘輸出。這類實施需要一個重要的條件。在多路選擇器的數(shù)據(jù)輸入端，需要添加額外的時鐘門控檢查，確保時鐘分頻器電路正常工作。下面的波形中顯示了時序檢查。
圖6：基于多路選擇器的分頻器。
以下波形在對輸入時鐘進行三分頻時生成。
圖7：3分頻波形。
圖8：時序檢查。
時序檢查1是從時鐘上升沿到時鐘下降沿的半周期設(shè)置檢查，因此如果輸入時鐘被鎖定在極高的頻率，這項檢查將至關(guān)重要（例如為最大程度地減少抖動，將鎖相環(huán)輸出鎖定在極高的頻率。）
RTL復雜性低，通常由設(shè)計人員選擇是否采用50％占空比的時鐘分頻器。
優(yōu)勢：
* 50％占空比的整數(shù)分頻和不具有50％占空比的分數(shù)分頻
* 所有生成的時鐘采用單源引腳（多路選擇器輸出）。
局限性：
* 需要部署額外的時鐘門控檢查，時序變得至關(guān)重要。
可配置的基于多路選擇器的分頻器作為分數(shù)時鐘分頻器使用
可配置的分數(shù)時鐘分頻器或FCD是基于多路選擇器的分頻器中一個重要類別。分數(shù)時鐘分頻器的重要特征包括：
* 這些分頻器是異步分頻器，分頻器的時鐘輸出與設(shè)計中生成的其他時鐘異步。
* 這些分頻器不具有50％的占空比。
* 輸出時鐘的最大頻率（fmax）（f /分頻系數(shù)）四舍五入到.5或0
* 輸出時鐘的最小頻率（fmin）（f/分頻系數(shù)）四舍五入到.5或0
所需的輸出頻率實際上是許多輸入時鐘周期中輸出時鐘的平均頻率。
FCD的概念
舉一個分數(shù)時鐘分頻的例子，就可以理解FCD的概念。
假設(shè)時鐘分頻為1.3 - 這樣時鐘的最小頻率fmin= 1.5，最大頻率fmax= 1
也就是說：輸出時鐘的10個周期=輸入時鐘的13個周期
設(shè)最小頻率的輸出時鐘周期數(shù)為X
設(shè)最大頻率的輸出時鐘周期數(shù)為Y
因此
x + y = 10
1.5 x + Y = 13
由此我們解出
x = 6 y =4
這樣，6×1.5=9個輸入時鐘周期，將除以1.5， 4個輸入時鐘周期將除以1。 1.3分頻的波形圖如下所示。這些分頻器常常用于逐級時鐘頻率切換，防止在瞬間出現(xiàn)高電流消耗（這可能導致晶體管的Vdd口出現(xiàn)異常電壓下降或上升，破壞設(shè)計，并可能引起芯片復位）。時鐘頻率的步長隨著設(shè)計中每單位時間允許的最大頻率增加或減少。
圖9：分數(shù)時鐘分頻。
本文結(jié)論
本文向人們展示了目前大多數(shù)設(shè)計中都使用的基本可配置時鐘分頻器。盡管實施方案可能會有所不同，但是可配置分頻器的基本思路是一致的。由于每種時鐘分頻器各有優(yōu)點和局限性，設(shè)計人員在選擇時鐘分頻器類型時需要格外注意。雖然穿通時鐘方案使DFT時鐘更加簡單，其占空比局限性給時序團隊在分頻時鐘域關(guān)閉關(guān)鍵的半周期路徑時留下了繁瑣的工作?；诙嗦愤x擇器的分頻器提供50％占空比的輸出時鐘，但可能使DFT時鐘變得復雜。因此，如果在設(shè)計早期，從功能，DFT和時序方面詳細了解和分析時鐘的關(guān)鍵性因素，避免時鐘架構(gòu)變化，可能會在之后的時序收斂階段帶來意想不到的驚喜。
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