一种MCU时钟系统的设计

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:368

摘要：介绍了一个基于ｍｃｕ内核的时钟系统的设计，给出了其电路结构并详细地分析了系统的工作原理。该系统能生成两相不重叠时钟，利用静态锁存器保存动态信息，提供三种电源管理方式以适应低功耗应用。在上华（ｃｓｍｃ）０．６μｍ工艺库下，利用ｃａｄｅｎｃｅｅｄａ工具对电路进行了仿真，仿真结果验证了设计的准确性。

关键词：微控制器时钟系统两相不重叠时钟

时钟系统是微控制器（ｍｃｕ）的一个重要部分，它产生的时钟信号要贯穿整个芯片。时钟系统设计得好坏关系到芯片能否正常工作。在工作频率较低的情况下，时钟系统可以通过综合产生，即用ｖｅｒｉｌｏｇ／ｖｈｄｌ语言描述电路，并用ｅｄａ工具进行综合。然而，用工具综合存在电路性能低、优化率不高的问题，不适合应用在各种高性能微处理器芯片上。而采用人工设计逻辑并手工输入电路图甚至物理版图的方式，能使设计的电路灵活，性能更好。基于这些考虑，设计了一个ｍｃｕ时钟系统。

１基本时钟输入的选择

ｃｐｕ核分微处理器（ｍｐｕ）和微控制器（ｍｃｕ），两者的基本时钟一般都以单频方波的形式提供。时钟有三种产生方式：

（１）用晶体振荡器产生精确而稳定的时钟信号；

（２）用压控振荡器产生可调频率范围较宽的时钟信号；

（３）结合以上两种技术，用压控振荡器生成时钟信号。

基本时钟信号的产生可以有芯片外和芯片内两种方法。但是时钟信号必须是稳定的信号，对于稳定度要求特别高的场合（如ｍｐｕ和ｍｃｕ），采用芯片外提供是必不可少的。故本设计采用外接晶振的方法。

２两相时钟方案

时钟技术是决定和影响电路功耗的主要因素，时钟偏差是引起电路竞争冒险的主要原因。为了消除竞争、提高频率、降低功耗，在基本时钟方案方面，ｍｐｕ和ｍｃｕ一般有三种选择：单相时钟、多相时钟和沿触发方案。在当前的设计中，沿触发方案由于在数据传递方面有一定困难已很少被使用。单相时钟方案因为在时序和传输上比较简单可靠，在所有的方案中使用的晶体管也是最少，所以被一些高性能芯片使用，如ｄｅｃ公司现被ｈｐ公司并购　的ａｌｐｈａ２１６６４微处理器。但是，对ｃｍｏｓ电路来说，采用单相时钟就无法使用动态电路，而且因组合逻辑块中逻辑元件的速度高低都受到限制而呈现困难。

图１是一个单相有限状态机，圆圈内为组合逻辑块ｃｌ。

设ｔｌ＋ｔｈ＝ｔｐ，其中ｔｐ为时钟周期，ｔｈ和ｔｌ分别为时钟高电平和低电平时间。如果要使时钟定时与数据无关，则最长的传播延迟必须小于ｔｐ，信号（甚至可能是由于内部竞争冒险产生的尖峰所造成的假信号）到达ｃｌ输出端可能取的最短时间必须大于ｔｈ。令τｃｌ代表ｃｌ延迟范围，则：

ｔｈ＜ τｃｌ＜ｔｐ（１）

（１）式表明，信号通过ｃｌ的每一个延迟都必须介于ｔｈ和ｔｐ之间。正是这种双边约束特性使单相时钟难以实现。对于多相时钟，则可以消除这种双边约束，而使其转化为单边约束。图２（ａ）所示为采用两相非重叠时钟φ１和φ２（φ１×φ２＝０），对应时钟波形示于图２（ｂ），ｔ１和ｔ３分别是φ１和φ２为高电平时的时间，ｔ２是φ１到φ２之间电平为低的时间，ｔ４则是φ２到φ１之间电平为低的时间。当φ２电平变高时信号开始通过ｃｌ传输，并且必须在φ１电平变低之前结束。于是得：

τｃｌ＜ｔ１＋ｔ３＋ｔ４或 τｃｌ＜ｔｐ－ｔ２（２）

其中，ｔｐ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４

图4 二分频电路及时钟驱动器