一个基于MCU内核的时钟系统设计

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Cadence EDA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%26;#215;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

3 时钟系统逻辑电路设计

3.1 两相不重叠时钟产生的方法

两相不重叠时钟产生电路如图3所示。clk为外部晶振产生的送入MCU的单相时钟，I1是MCU内部产生的保护信号，正常工作时I1为低电平，发生故障时如由于噪声干扰导致PSEN和RD、WR同时有效的错误发生时I1变成高电平而关闭时钟;当系统复位时，会使得图3中I1为低电平，恢复clk的输入。由于正常情况下PD为低电平，所以clk等同于经过三个非门变成图中的单相输入信号，加到用“或非”门交叉而构成的R-S触发器，单相时钟从左边加到一个“或非”门上，反相后加到另一个“或非”门上，这样得到的CK1和CK2是不重叠的。单相时钟与双相时钟的对应关系如图3所示。 当信号V变成高电平时(因为正常工作时PD一直保持为0)，M1管关断，信号就一直保存在静态锁存器中。每当时钟信号变高时，就把静态锁存器的输出传给W，使得W一直处于低电平而不影响“或非”门A1，故图3中A1可以简化为二输入。 在时钟受到一个逻辑信号(也就是门控时钟)控制的情况下，可能会有一些动态节点不被刷新。为了避免这种错误，采用由一个NMOS控制管M2加两个交叉耦合反相器组成静态锁存器。其中反馈管采用的倒比W/L很小(<1)，可以作为电平恢复器件，这样有利于保存信息。

3.2 二分频电路

通常把一周期指令的执行时间称为一个机器周期，并进一步划分为2～6个状态(高速MCU到标准MCU)，每一状态有两相时钟，即为两个节拍，每个节拍持续一个振荡周期。如何向芯片内部提供一个两节拍的时钟信号呢?这就需要二分频电路对外部振荡信号进行分频，使得在每个时钟的前半周期，节拍1信号有效;后半周期，节拍2信号有效。 二分频电路是由两个静态锁存器组成的触发器，如图4所示。其中CK1和CK2是两相不重叠时钟，当CK1=0，CK2=1时，静态锁存器b的输出经过一个反相器提供CK3和CK4，使得CK3=0，CK4=1;经过半个周期后，CK1=1，CK2=0，M4断开，低电平信号存储在静态锁存器a中，使CK3的值不变，这样CK3延续了一个周期的低电平(高电平)，就形成了两分频，如此形成的时钟信号周期增加一倍。CK4由CK3经过一个反相器形成，两者相位相反。

3.3 时钟驱动器及分配

影响时钟偏差主要有以下几个因素： %26;#183;连接时钟数的连线; %26;#183;时钟数的拓扑结构; %26;#183;时钟的驱动; %26;#183;时钟线的负载; %26;#183;时钟的上升及下降时间。 在MCU内部，时钟信号要驱动大的负载，是负载最重的信号，有可能导致电路延时和时钟偏差。消除的方法之一是增强驱动能力。设计的驱动器如图4(二分频电路除外)所示。最初的时钟信号由二分频电路输出的CK3和CK4提供。值得注意的是，为了提高翻转速度增加了旁路管，即PMOS晶体管M5、M7和NMOS晶体管M6、M8，而且它们的W/L比要取得足够大如设计的为350/1，这样就不需要外部附加自举电容。当然为了防止导通电流过激(di/dt)，可以加入电阻起稳定作用。该时钟驱动器的一个重要特点，就是所产生的两相不重叠时钟的相位与时钟负载无关，输出Clk3和Clk4能高到VDD电平和低到地电平。 图6 IDL控制通生CPU内部的时钟信号 在MCU内部合理分配时钟网络。通常有两种方法：线形缓冲和树形缓冲。考虑到MCU内部时钟负载比较大，采用图5所示的树形缓冲将时钟电路分成若干分支。时钟分配的各个分支在各级之间具有相同的相对扇出，同时每个分支所带负载数目基本相同，因为不平衡的分支是时钟歪斜的主要原因。

3.4 低功耗设计 低功耗设计要求时钟网络尽量简单，晶体管尺寸尽量小，并且应尽量减少不必要的电路节点翻转，所以设计的MCU一方面要大量采用只有三个元件组成的静态锁存器，参见图3;另一方面要有三种工作功率管理模式，即正常、空闲、掉电三种方式，以满足低功耗方式的应用。因此，内部所使用的时钟分三类，第一类送入部分控制器和数据通道(CPU核)，在低功耗方式(空闲)下时钟关闭，如图6中的Clk5和Clk6;第二类用于控制定时器，如Clk1和Clk2;第三类则用于控制中断电路和串行口的时钟，如Clk3和Clk4。后两类不受低功耗方式的限制。 (1)在掉电方式(PD=1)下，时钟信号发生器及内部所有的功能部件都停止工作。如图3所示，PD=1时，封锁一个“与非”门和一个“或非”门，使V一直为低电平，输给R-S触发器的单相时钟的状态被固定，或为低电平或为高电平，这样整个芯片的时钟信号被冻结。 (2)在空闲方式(IDL=1)下，时钟信号继续提供给中断逻辑、串行口、定时器，但CPU 的时钟被切断了。如图6所示，IDL=1时，“或非”门输出为低电平，“与非”门输出为高电平，通过时钟驱动器使得Clk5=1、Clk6=0，这样通往CPU的信号就被冻结了。 图7 用CSMC 0.6um工艺库对时钟电路的逻辑仿真

4 设计验证与总结

综合图3、图4、图6就构成了整个时钟系统。为了对电路进行逻辑仿真，首先在CADENCE 的 Composer-schematic中调用CSMC 0.6μm标准单元工艺库，设置好管子参数，画出电路图。然后进入Analog Artist Simulation环境进行参数较理想化的电路仿真。其中clk的脉宽为0.5μs，周期为1μs，将各种信号(如PD、IDL)的上升时间和下降时间设置为0.002μs整个仿真时间取16μs，参考电压为5V，得到的仿真结果如图7所示。可以看到I1=1时，通往内部的各时钟信号被封锁;PD=1时，所有时钟(Clk1～Clk6)被冻结;而IDL=1时只有通往CPU的Clk5和Clk6被冻结，因此各信号满足设计要求。