用于SOC或塊級時鐘的可配置分頻器

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(biāo)、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(yán)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。