CDC设计实例-01
CDC设计实例
Clock Gating Cell & Glitch Free Clock Switch(门控单元和动态切换时钟)
一个电路有多个时钟输入进来,希望在工作当中能够动态切换时钟;比如CPU根据工作负载（AI或视频处理）,工作负载大,时钟频率快,功耗高,工作负载低（浏览图片或者待机）,时钟频率低,功耗低,切换时钟频率,希望能够动态切换时钟;通过动态切换时钟,以减少功耗;Glitch(差错),在时钟切换过程中不能出现毛刺
普通组合逻辑信号送到寄存器D端,在时钟的有效沿进行采样,只要组合逻辑信号能够满足建立时间和保留时间,即使信号经过组合逻辑出现一些毛刺也没有关系,因为这些毛刺只是在稳定信号之前和采样之前出现的,经过一段时间能够稳定就可以了
如果时钟产生无效的毛刺,时钟直接进入寄存器,会产生一些无效毛刺,首先会导致采样一些错误的值,另外产生的毛刺可能不是时钟周期预期的值,可能会产生亚稳态
Clock Gating 和 Clock Switch模块在工作中会有现成的模块,会有Fab提供
- Mux sync
- 门控单元：clock gating（Fab或者是standcell会提供ICG门控单元）
- 动态时钟切换：glitch free clock switch
mux sync
上述信号在进行传输的时候，寄存器端拿到数据之后需要进行返回信号，告诉输入端进行下一笔数据的传输
- mux sync通常被做成公共模块，这种模块需要知道在哪里进行调用，自己写的模块需要上报路径和使用的位置
ICG(Integrated Clock Gating)
ICG可以理解为给时钟加一个使能信号,用于控制时钟信号的通过和切换
- 时钟通过使能信号进行控制时钟的开启与打开的时候,在en信号发生跳变的时候,恰好在时钟沿出,会产生glitch,会导致实际的是时钟周期不是完整的时钟周期,会违反建立保留时间,导致亚稳态
ICG代码（behavior model）
module cell_clock_gating(TE,E,CP,Q)
input TE; // test enable which is used for test mode in DFT
input E ; // enable
input CP; // clock
output Q; // output signal
reg E_lat; internal signal
assign E_or = E | TE; //
always @(CP or E_or) // this is a latch,不是时钟上升沿和下降沿有效的，是latch
begin
if(!CP) begin
E_lat <= E_or;
end
end
assign Q = E_lat & CP;
endmodule
- latch是有效的电平期间，进行采样，在无效的电平期间进行保持
- CP是时钟输入，在enable为高的作用下，原始输入同步到Q端，如果enable为低的情况下，不让Q端进行反转，固定Q端的时钟信号
- Q = E_lat & CP - 为了消除毛刺，latch在低电平的时候发生变化，在CP为低的时候，latch会产生变化，有可能产生毛刺，但是此时通过与门，Q端一定为低信号（不管E_latch是什么值，有没有毛刺）
- 这个代码只是一个功能模型，给仿真使用，不能用于综合
- en信号为低的时候，输出时钟是不反转的，时钟不反转，动态功耗就会很低。
- 将使能信号通过一个寄存器之后,然后输入到与门,在时钟上升沿的时候将en信号传递到与门
- 使用或门:也是将en信号通过一个寄存器,在时钟上升沿传到或门
Clock Switch:Glitch due to simple mux
假设有两个时钟，clk_a频率高，clk_b频率低，如下图所示，select信号为低的时候选择的是clk_a，select为高的时候选择的是clk_b，当select信号从低到高进行跳变和clk_b信号从高到低进行跳变的时候，会出现毛刺，这中毛刺作为时钟信号的时候出现需要进行规避
SoC系统中时钟切换应用场景
- 进行时钟切换的时候先将ICG的enable=0，不管前面clk输入如何，ICG输出为0，可以滤掉毛刺；在enable=0得时候更改sel选择clk,有可能会产生毛刺，即使有毛刺输出也一直为0；选择完成之后将enable拉高，得到最终呢选择的时钟信号
- 驱动的是SPI,I2C模块，信号传输速率比较慢，使用软件配置的方式也比较慢，这种模块可以使用这种方法；如果设计高性能模块(比如CPU)，要求速率很快，这种方法不适用
- CPU是整个SoC的核心，CPU通过分发指令和任务可以调用DMA、NAND Controller等模块,CPU是SoC的大脑；使用软件配置的方法切换时钟，速度慢，会拖缓整个SoC效率
- CPU在动态切换的时候是不能出现毛刺的，如果出现毛刺，会导致CPU取址错误，从而导致功能错误
- 切换时钟的步骤:关闭ICG-->选择时钟-->打开ICG
