【芯片设计- RTL 数字逻辑设计入门 9.1 -- CRG模块】

news2024/9/22 11:39:55

请阅读【芯片设计 RTL 数字逻辑设计扫盲】

转自：芯片设计基础 – CRG模块

文章目录

CRG模块
- CRG时钟系统
- CRG复位系统
- - 同步复位
  - - 同步复位的优点
    - 同步复位的缺点
  - 异步复位
  - - 异步复位的优点
    - 异步复位的缺点
  - 异步复位同步释放

CRG模块

CRG是芯片里的时钟和复位生成模块，全称是 Clock Reset Generator。CRG模块提供整个系统所需要的时钟和复位信号。本文主要介绍一下CRG时钟系统和复位系统的基本模块和概念。

CRG时钟系统

CRG的时钟部分一般都包括时钟源、锁相环（PLL）、时钟分频、片上时钟控制器（OCC）、时钟门控（ICG）、时钟切换、时钟buffer等电路结构。

时钟源 一般来自外部的晶振。常见的外部晶振有32.768KHz时钟和24MHz时钟（这个频率可变）。32.768KHz时钟一般提供给RTC模块等，用于产生系统时钟、时间戳等。24MHz时钟一般用做PLL的参考时钟。
锁相环（PLL）基于晶振提供的基准时钟，生成稳定的高频时钟。
时钟分频（Divider）将锁相环输出的高频时钟进行分频，从而满足不同模块的时钟需求。
片上时钟控制器（OCC，On–chip Clock Controller） OCC是插在SoC上的逻辑电路，用来做DFT测试。在自动测试机台上对芯片进行全速测试时，根据scan信号控制选通ATE时钟或芯片内部时钟。
时钟门控（ICG，Integrated Clock Gating） ICG通常是用于控制打开和关闭时钟，从而降低功耗。一般模块级的ICG是手动加，寄存器级别的ICG是综合工具自动加。
时钟切换 一般分为clk mux和clk switch。

clk mux是组合逻辑，用于静态切换，动态切换的话会出现 glitch，如下图所示。
在这里插入图片描述

clk switch，时序逻辑，可用于动态切换。在两个电平相反的时候切换时钟，肯定有毛刺；电平相同的时候，即使不产生毛刺，时钟切换后的第一个时钟的周期或占空比也不是理想的。所以为避免毛刺的产生，需要在两个时钟都为低电平时进行切换。一种典型的无毛刺时钟切换电路如下所示。
在这里插入图片描述
该电路利用时钟下降沿对时钟选择信号 sel_clk 进行缓存。同时一个时钟选择信号对另一个时钟进行反馈控制，保证同一时刻只能有一路时钟有效。最后采用或操作将两路时钟合并，完成时钟切换的过程。

时钟buffer 增强时钟信号的驱动能力。

CRG复位系统

在芯片设计中，复位逻辑是一个很重要的部分。复位是让芯片进入一个能稳定操作且确定的初始状态，从而避免芯片在上电后进行某个随机的状态而死机，或者是运行过程中出现了问题，能通过看门狗等方式产生复位而恢复初始状态。

芯片中的复位源一般分为 片外reset 源和 片内 reset源。

片外的reset源一般有来自PMIC的power reset，来自系统板上的pad reset，jtag reset等。片内的reset源有watchdog timeout reset，software reset及其他硬件机制产生的reset等。一个模块的reset可能由几种或者全部reset源控制。

复位的类型包括同步复位、异步复位、异步复位同步释放。

同步复位

同步复位是指复位信号只有在时钟有效沿到来时，才能有效。同步复位的verilog代码如下：

always @(posedge clk) begin  
   if (!rst_n) begin
     out <= 1'b0;  
   end 
   else if (load) begin
     out <= in;  
   end
end

其综合得到的电路如下：
在这里插入图片描述

同步复位的优点

同步复位一般能确保电路是100%同步的，有利于时序分析，综合出来的最高频率一般较高；
同步复位会综合成更小的触发器，特别在该复位信号被触发器的输入逻辑门控时；
同步复位确保复位只发生在有效时钟沿。时钟可以作为过滤掉复位毛刺的手段；

在一些设计中，复位必须由一组内部条件产生。推荐在这样的设计中使用同步复位信号，这样可以将时钟之间的复位毛刺过滤掉。

同步复位的缺点

大多数逻辑器件库中的DFF只有异步复位端口，所以使用同步复位，综合器会在寄存器的数据输入端插入组合逻辑，一是会耗费组合逻辑资源，二是综合器无法分辨复位信号和其他数据信号，需要判断综合出的复位信号是否满足设计需求。

复位信号的有效时间必须大于时钟周期，才能保证被可靠地识别，完成复位。所以有时需要脉冲展宽器，以保证复位信号能出现再时钟有效沿处。

门控时钟电路情况：同步复位需要时钟来复位电路。在使用门控时钟时可能出现问题。在复位信号发出时，时钟可能关闭，在这种情况下只能使用异步复位，并在时钟恢复前移除复位信号。

异步复位

异步复位是指无论时钟沿是否到来，只要复位信号有效，就对系统进行复位。使用异步复位的触发器在设计时就加入了一个独立的复位引脚，通过有效的复位信号即可将触发器进入复位初始状态。

下面是带有异步复位信号的触发器的verilog代码：

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (!rst_n) begin
    out <= 1'b0;
  end 
  else if (load) begin
    out <= in;
  end
end

上述代码所综合出的电路结构如下：
在这里插入图片描述

异步复位的优点

异步复位最大的优点是不增加数据路径的延迟，保证数据路径上是干净的，这对于时序很紧张的数据路径来说非常友好。
大多数器件库的DFF都有异步复位端口，采用异步复位可以节省逻辑资源。
最明显的优势是有没有时钟都可以复位，在芯片上电或者门控时钟也能正常复位触发器。

异步复位的缺点

在复位信号释放的时候可能会出现亚稳态问题：复位释放在时钟有效沿附近；
容易受到毛刺的影响

异步复位同步释放

与数据信号需要满足的建立时间和保持时间类似，复位信号也需要满足恢复时间（recovery time）和撤销时间（removal time）：

恢复时间：指的是异步复位被设置为无效后，在下一个时钟有效沿到来之前需要保持稳定的最短时间。类似于同步电路中的setup time。
撤销时间：指在时钟有效沿来临之后，异步复位信号需要继续保持有效的最短时间。类似于同步电路中的hold time。

如果不满足异步复位信号的恢复时间和撤销时间，那么可能产生亚稳态。因此需要在异步复位信号释放时对其进行同步（异步复位同步释放），即使用复位同步器，结构如下图所示：
在这里插入图片描述
verilog代码如下：

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (!rst_n) begin
    rst_dff1 <= 1'b0;
    rst_dff2 <= 1'b0;
  end else begin
    rst_dff1 <= 1'b1;
    rst_dff2 <= rst_dff1;
  end
end
assign masterrst_n = rst_dff2;