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芯片设计专题（一）——CRG（Reset）

桔里猫

​​

清华大学 工学博士

 

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新开一个系列。讲讲在工作中向前辈们学到的一系列芯片设计中的电路技巧。

首先来讲讲第一章。这篇文章讲讲芯片里非常重要的两个小东西：时钟和复位。

虽然小，但是非常容易出错, 时钟在数字电路里类似于芯片的供血系统。你可以理解为供血系统出点BUG，芯片就非常容易处于一种自求多福的状态。。。

时钟与复位统称CRG，Clock and Reset Generator。

CRG中主要包含这些东西。

 

我们先讲复位，需要说明的是此处主要讲异步复位，软复位完全是同步的，其实和其他信号没有区别。

1. 复位方式：异步复位，同步释放

为什么需要异步复位，同步释放？

原因主要是：

• 如果同步复位，同步释放，需要对复位信号进行同步，对于外部复位来讲容易形成锁死的问题。这是个鸡生蛋蛋生鸡的问题。复位信号用寄存器同步，然后用同步后的信号复位寄存器，我复位我自己？所以同步复位同步释放多用于软复位。
• 如果异步复位，异步释放，异步的释放操作非常容易导致亚稳态。相当于没有复位。
• 如果同步复位，异步释放，emmm 感觉上一般没有人这么折腾自己。

所以就剩下了一种办法，异步复位，同步释放。这个较为简单和典型。记住即可。硬复位信号都应该这么产生。

2. 异步复位的实现

敲黑板，面试会考的。这个不会基本上容易翻车。

always @ (posedge clk, negedge rst_async_n)
if (!rst_async_n) begin
rst_s1 <= 1'b0;
rst_s2 <= 1'b0;
end
else begin
rst_s1 <= 1'b1;
rst_s2 <= rst_s1;
end
assign rst_sync_n = rst_s2;
endmodule

比较简洁。主要原理是用两个寄存器实现的。

3. 异步复位同步释放的波形显示

这个简单的电路就是这么一个原理~

4. 子模块的复位顺序

复位顺序需要具体问题具体对待，但总体的原则是
先复位外设，再复位核心。因为核心复位后有可能访问外设。

可以看看这篇，有个案例。桔里猫：RISCV AI SOC实战（四，复位管理）

5. 总结

复位大致上就这些东西。主要就是明白这个典型的电路以及复位顺序，后续讲时钟。

 

芯片设计专题（二）——CRG（Clock中的ICG）

桔里猫

​​

清华大学 工学博士

 

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1绪论

本篇文章讲CRG的第二部分, 时钟

时钟在数字电路中占据至关重要的地位。是整个数字芯片的节拍器。

2 ICG模块概述与原理

ICG模块的缩写是integrated Clock Gating的意思, 有些地方把这个东西叫isolate clock gating，应该是不对的。在较为先进的工艺库中一般会直接提供这个模块，不需要自己手动的搭建。但是需要知道其原理。（注：图不想自己画了，所以来自网络）

ICG原理

 

ICG模块一共有着两种形式，或形式或者与形式。其内部逻辑是用一个寄存器和两个与门组成的。

我们拿与门作为例子来讲。对于与门的ICG，只有clk为低电平也时EN信号才会通过ICG。保证了输出的第一个波形是上升沿。对于或类型的整好相反。可以类似分析。

ICG波形

ICG在数字电路中有三个用途

• 用于关断时钟，降低功耗
• 用于动态切换时钟时防止产生毛刺
• 用于时钟分频，后续讲

3.先回答三个问题

【类型如何选：使用Or还是And ICG，可以自己手动搭建ICG么】

这个比较简单，如果电路是上升沿触发的那么选and ICG，否则选Or ICG。原因是AND ICG第一个好的时钟是时钟上升沿。Or ICG相反。

工艺库都提供，不建议手动搭建。主要原因是分立的搭建需要专门检查STA, 而ICG在库中写好了时序约束，避免很多错误。

【En信号有什么要求】

En不可以异步，En信号一定要同步。否则如果EN和时钟沿离得太近容易亚稳态。

En一定不能是门控后的信号产生的，否则就死循环了。

【ICG是手动加的还是自动加的】

模块级的ICG手动加，寄存器级别的ICG综合工具自动加。后续会讲自动时钟门控。

4.自动门控时钟

ICG模块有时是根据设计手动加入到电路里的，但对于寄存器级别的控制，其实综合工具可以直接帮忙加入。

如下图所示，只要代码风格写的好，综合工具就能自动帮你门控。

如果不看低功耗的综合，综合出的电路是这样的

如果开了低功耗的综合，综合出来就是这样的

那么实际情况下怎么插入的？这个需要看综合策略。如果Q就1两个bit，那其实使用mux更省一些。如果Q比较宽，例如Q为32bit的话插入ICG就收益非常明显。

既节省了功耗，1个ICG肯定是小于32个mux。

总结

本章主要讲了ICG模块。在时钟控制里非常重要。后续讲时钟分频和切换。