Clock Switch，芯片时钟切换的毛刺是什么，如何消除

背景

芯片运行过程中需要时钟切换时，要考虑到是否会产生glitch，小小的glitch有可能导致电路运行的错误。所以时钟切换时需要特别的处理。
直接使用MUX进行时钟切换或者采用如下电路结构进行时钟切换：

assign outclock = (clk1 & select) | (~select & clk0);

或

assign outclock = select? clk1: clk0; （直接采用MUX实现）

但以上两种做法都会产生时钟切换毛刺的，芯片系统很容易进入亚稳态的情况。如下图，由于是纯组合逻辑，select信号变化可能发生在任何时刻，很容易发生时钟切换毛刺，我们需要使用无毛刺的时钟切换电路，即Glitch-free clock switching circuit。

为了解决时钟切换的毛刺问题，对于时钟源分为同步和异步的情况，分为如下两种解决方案：

CLK0与CLK1为同步时钟源，即CLK0与CLK1成整数倍关系

插入下降沿触发的D触发器，当前已打开的时钟路径上的时钟会在其下降沿之后先关闭，然后待打开时钟路径上的时钟在其下降沿之后即打开。如下所示：从下图第二个箭头开始，实际发生时钟切换，两个触发器都是下降沿触发。

当select信号为0时：

此时选择的时钟为CLK0，DFF1 Q端输出始终为0，QN端输出1并反馈至DFF0。当CLK0的下降沿采样后，DFF0的Q端输出1，QN端输出0并反馈至DFF1，从而不会在与门处产生毛刺。此时输出的OUT_CLK为CLK0。

当select信号切换为1时：

只有当CLK0的下降沿到来后，DFF0的Q端输出才会是0，其QN端输出才会是1，随后DFF1的D端的输入才会是1，然后还要等，当CLK1的下降沿到来后，DFF1的Q端输出变为1，QN输出变为0，但由于此时CLK1为低电平，因此OUT_CLK仍然为0。然后还要等，当CLK1出现高电平后，OUT_CLK才会切换到高电平。

注意时序约束关系：

select控制信号到DFF0、DFF1的D端；

DFF0的QN端输出到DFF1的D端；

DFF1的QN端输出到DFF0的D端；

这四条路径中，任何一路径上的信号与目标时钟域的采样时钟同时发生变化，则该寄存器的输出可能变为亚稳态。因此上述两个下降沿触发器结构要求两个时钟是同步时钟，且频率成倍数关系，这样就能始终满足时序约束关系，不会出现毛刺和亚稳态。

请问CLK0与CLK1为异步时钟时，电路如何设计？

CLK0与CLK1为无关时钟源，即异步时钟源

在第一种方法的基础上，在选择路径上再插入一个上升沿触发D触发器，这是对异步信号进行同步处理，这样即使是两个异步的时钟源进行切换，也可以避免亚稳态的产生。从下图中第二个箭头开始，实际发生时钟切换。

select为0时，OUT_CLOCK选择CLK0。

select切换为1时，CLK0的上升沿打一拍，下降沿打一拍，才能关闭CLK0时钟，此时OUT_CLOCK输出为0，然后还要等，等CLK1的上升沿打一拍，下降沿打一拍，才能打开CLK1，此时OUT_CLOC输出为0，等到CLK1上升沿到了OUT_CLOCK才有上升沿。

总结，通过在负沿触发器前添加了1个正沿触发器，使得：

select控制信号到DFF0、DFF1的D端；

DFF0的QN端输出到DFF1的D端；

DFF1的QN端输出到DFF0的D端；

上面四条路径的输入信号和负沿触发器的capture时钟沿之间构成两级触发器打拍，防止跨时钟域的亚稳态传递和毛刺信号出现。