03-ASIC和FPGA中的时钟结构

1 ASIC 中时钟的结构

ASIC电路中的时钟的结构。这是一个非常典型的MCU的时钟结构图。它的时钟结构和功能的划分。首先，我们通过外部振荡器发送了一个8MHz的时钟给PLL，经过分分频和倍频产生更多的一些时钟。这些时钟再经过一些多路选择器来送给后面的电路。从上图里面看，我们把它做了1,2,4,8,16的分频。

送给后面的时钟以后我们这里面有个ICG，也称作门控时钟。来控制这个时钟在什么时间关断和打开，门控时钟输出了以后，接的这个OCC(oncheck clock controller)。它的作用是和design for test dft来结合来使用的。也就是说，在function模式或者功能的模式下，用直接接的分频出来的时钟system clock时钟。
如果在测试模式下，可能要用外部输入的慢速的ATE时钟，那么通过这个OCC的逻辑来选择或者是切换function模式和test模式下时钟的分配。这个切换的模式，就用dft的模式。dft模式是一个控制管脚，可以控制相关的时钟切换。在切换的过程中，我们为了防止切换导致或者引入一些毛刺时钟。我们有一个无毛刺切换电路来切换function和测试模式，时钟。
这些输出也可以通过这个mux电路来把输出作为其他的芯片的时钟，或者是说我们来观测观察我们这个时钟里面的情况。


在ASIC设计中有一个重要的概念，就是叫clock tree synthesis。我们简称为CTS。逻辑上，时钟会接到寄存器的时钟端，它是一个网状的结构。为了达到功能的正确或者时序的正确，期望时钟到达各个寄存器的延迟信息差不多。那么根据要求，我们就可以插入buffer，相当于一个大树，有树枝树叉，这样的一个结构。可以来确保我们源头时钟到各个寄存器的时钟的延迟差不多。这就叫clock tree synthesis，这是在ASIC设计中的一个重要的特点。
在ASIC设计中有很多的时钟，这里面就有一个问题，对这些时钟，各个时钟打出的信号之间该怎么处理呢？或者clock 1送给另外一个时钟clock 2它们之间有什么样的情况会导致功能出错。这是我们在ASIC设计中非常重要观念。

2 FPGA 中时钟的结构

下面我们讲一下FPGA中的使用的结构。FPGA的时钟结构和ASIC时钟结构是不一样的，为什么呢？ASIC设计可以通过后端的工具来插入clock tree和很多的处理功能，定制化的来做相关的电路时钟的处理。而FPGA中时钟的驱动电路和它的连接资源，其实在FPGA中已经把它做好了。你只能利用它或者调用它。用它的功能来完成相关时钟的驱动或者是分配。

首先，我们有MMCM，我们称之为混合模式的时钟管理器。它里面包含了锁相环，也会产生多个不同的时钟输出。这个输出可以分频倍频以及相位的调整。在一个FPGA里面，有很多个MMCM这些管理模块，也就是说它可以给你提供很多个时钟信号。时钟产生了以后，我们要通过一些时钟缓冲器。
bufferG全局时钟缓冲器。全局时钟缓冲器，它可以驱动FPGA中全局的时钟线路，也就是说它可以连接到在不同的位置的寄存器。
bufferH是横向组的时钟缓冲器，可以把它理解成为一个局域的局部的一个时钟区域驱动。bufferR用于纵向的组的时钟缓冲区，你也可以把它理解为一个局部区域的时钟。
bufferMR，它是multi clock region buffers，就是它可以驱动多个时钟域。
bufferIO，它只能用于驱动IO里面的相关的时钟。
bufferH和bufferR，也可以驱动lO里面相关的时钟。所以这就是bufferH,bufferR,bufferIO它的区别之一。

在实际电路设计中，要充分考虑或者要充分的了解你这个FPGA中里面它有多少个全局的缓冲区？有多少个bufferH,bufferR, bufferMR,bufferIO?来决定通过什么样的方式应用它来驱动相关的逻辑电路。

同步时钟异步处理

如果在ASIC设计中做好以后，很多设计要转到FPGA上，这时候该怎么处理呢？首先如果在ASIC这个设计中，很多时钟可能是同源时钟，但是它跨越了很多的时钟域。有时候我们为了更简单或者更方便的布局布线或者做clock tree。在设计中也会按异步对这些同源时钟
来做处理。也就是说，原是同步的时钟，但是，因为考虑到布局布线要多次迭代。这样的话，这个时间和效果可能不是很好，也把这些同源的时钟的关系作为一些异步处理。可以节省后端迭代的次数，进而可以缩短开发的周期。当然，代价是增加了一部分的设计面积，但这个代价在设计里面，往往可以，折中的考虑。

MMCM代替ASIC中时钟产生电路

(2)如果ASIC设计转到FPGA的时候，如果已经做了同步时钟的处理的话，仅需要在时钟产生模块的输出中给每个时钟都插入bufferG，就可以使每个生成时钟域的时钟偏差最小。但是，如果电路里面有很多倍频分频生成的时钟，在ASIC设计中，这时候我们可以充分利用FPGA里面的时钟产生模块，比如我们的MMCM。把我们这些ASIC设计中的时钟产生电路用MMCM或者PLL锁相环来替代。也就是说我们不用ASIC中时钟产生电路，直接用MMCM里面的模块来帮我们产生对应的分频或者倍频的一些时钟，这样我们再把这些时钟通过bufferG再进入各个模块，这样效果会更好一点。

扇出少的信号，不适用bufferG

(3)如果生成的时钟较多，但是每个时钟的扇出并不是很大。这时候按理说用bufferG来做时钟的驱动会更好。或者是用bufferH或bufferMR来做启动驱动比较好。但是，有一个小的问题，因为在FPGA中布线资源连接关系都布好了，需要把它通过一些连接来配置它。如果你扇出小的信号，一般不需要利用全局缓冲器的大驱动，为什么呢？因为你时钟生成的逻辑，如果处于普通的CLB中，从CLB到全局的时钟线，再到bufferG，然后再经过全局时钟线，进入本地的连线直接要驱动的目标的寄存器，这个路径会很长。此时，时钟源和它其他的生成的时钟，以及它们再生成的时钟的偏移会比较大。即我们用bufferG，并没有减到或者减减小，或者说体现减小时钟偏差的作用。这时候如果你不使用bufferG布局布线，使用FPGA里面的布局布线工具会自动的把相关的逻辑放在很近的位置。虽然我们。使用的是较慢的本地的逻辑的连线，但是由于路径短，经过的开关少时钟的偏差反而较小。