布線工程師如何充分“掌控”時(shí)鐘信號(hào)？

　　作者：安森美半導(dǎo)體公司 Billie Johnson

　　在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)是一種在高態(tài)與低態(tài)之間振蕩的信號(hào)，決定著電路的性能。在應(yīng)用中，邏輯可能在上升沿、下降沿觸發(fā)，或同時(shí)在上升沿和下降沿觸發(fā)。由于溢出給定時(shí)鐘域的案例極多，故有必要插入緩沖器樹(shù)來(lái)充足地驅(qū)動(dòng)邏輯。時(shí)鐘樹(shù)通常帶有布線工程師必須滿足的延遲、歪曲率、最小功率及信號(hào)完整性要求。

　　當(dāng)電路從前工序設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到后工序布線工程師時(shí)，可以認(rèn)為時(shí)鐘概述與圖表是必須溝通的最關(guān)鍵信息。多年以來(lái)，由于溝通失誤，數(shù)以小時(shí)、天甚至是星期計(jì)的設(shè)計(jì)工作淪為白費(fèi)，需要包括時(shí)鐘樹(shù)在內(nèi)的全套重新合成。

　　在布線之前，采用極佳的時(shí)鐘來(lái)用于合成及時(shí)序約束。約束的時(shí)鐘定義可能出現(xiàn)在模塊的頂層焊盤(pán)或引腳；可能出現(xiàn)在宏的輸出，如鎖延遲環(huán)（DLL） 或鎖相環(huán)（PLL）；或者作為產(chǎn)生的時(shí)鐘出現(xiàn)在除法寄存器上。這些時(shí)鐘定義可能是也可能不是布線工程師需要定義時(shí)鐘樹(shù)根以在不同工作模式之間獲得最優(yōu)延遲及平衡歪曲率的領(lǐng)域。前工序及布線工程師之間圍繞這些信息的高級(jí)別信息溝通以及理解布線工程師怎樣運(yùn)用這些信息，將大幅優(yōu)化物理設(shè)計(jì)流程的CTS過(guò)程。

　　有效CTS的設(shè)計(jì)技巧

　　下面的某些技巧在業(yè)界已經(jīng)使用多年，但基于過(guò)去幾年的經(jīng)驗(yàn)，仍然值得重復(fù)運(yùn)用。

　　為時(shí)鐘樹(shù)根使用中到大強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)器。這就使時(shí)鐘樹(shù)能有恰當(dāng)?shù)钠瘘c(diǎn)。但不要使用庫(kù)中最大的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，如果信號(hào)完整性（SI）分析或片上變化（VOC）分析未出現(xiàn)問(wèn)題，能夠在隨后的設(shè)計(jì)中用到。。

　　如果時(shí)鐘除法寄存器及其同步寄存器要在單獨(dú)測(cè)試模式中工作，確保它們被復(fù)用邏輯有針對(duì)性地驅(qū)動(dòng)。這就能夠在測(cè)試模式下在輸入端增加延遲，而不會(huì)影響此功能模式下所產(chǎn)生的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的其他所有寄存器。

　　（divide-by）寄存器不會(huì)與任何下行寄存器平衡。綠色域的寄存器數(shù)量越少，越會(huì)使時(shí)鐘速度比紫色域中的時(shí)鐘速度快得多。

　　圖1 寄存器時(shí)鐘除法寄存器

　　圖2顯示了可能使每簇下行寄存器及除法寄存器能夠通過(guò)復(fù)用的一種輸入擁有極小時(shí)鐘及通過(guò)復(fù)用的另一路輸入擁有平衡時(shí)鐘的復(fù)用機(jī)制。

　　圖2 下行寄存器及除法寄存器復(fù)用機(jī)制

　　若有需要，則插入專用復(fù)位驅(qū)動(dòng)器。某些情況下將使用幾個(gè)寄存器來(lái)同步復(fù)位。那些寄存器可能并不需要由相同的寄存器來(lái)平衡。在圖3中，由于未采用集中策略，軟件將嘗試平衡門(mén)控邏輯后的藍(lán)色寄存器，而每個(gè)粉紅色寄存器包含在復(fù)位同步邏輯中。

　　圖3 平衡門(mén)控邏輯后的寄存器

　　如果它們?cè)诟髯詫Ｓ抿?qū)動(dòng)器中與其他寄存器分開(kāi)了的話，在布線過(guò)程中這種情況就很容易處理。圖4顯示了可以怎樣在設(shè)計(jì)交遞（hand-off）溝通過(guò)程中插入及輕易識(shí)別占位符（place-holder）或排除緩沖器，使布線工程師知道哪里可能會(huì)出現(xiàn)平衡問(wèn)題。

　　圖4 插入及輕易識(shí)別占位符或排除緩沖器

　　提供超出預(yù)期的時(shí)鐘圖表及大量時(shí)鐘簡(jiǎn)介。當(dāng)前工序設(shè)計(jì)準(zhǔn)備好提供網(wǎng)表進(jìn)行布線時(shí)，他們已經(jīng)非常熟悉設(shè)計(jì)及時(shí)鐘要求。某些情況下，初始CTS設(shè)計(jì)會(huì)提示預(yù)布線時(shí)序約束中使用的理想值在實(shí)際物理設(shè)計(jì)中不能實(shí)現(xiàn)的情況。如果提供了精確的時(shí)鐘圖以及帶有時(shí)鐘原理相關(guān)信息的網(wǎng)表交遞，就能夠更快地弄清導(dǎo)致此狀況的問(wèn)題。

　　總體圖或是代表設(shè)計(jì)中所有時(shí)鐘（含門(mén)控邏輯）的圖非常有用。這要么是采用畫(huà)圖軟件，要么是使用電路圖捕獲工具等使用軟件產(chǎn)生的圖，甚至還可以是手繪并存儲(chǔ)為PDF文檔或發(fā)送傳真給布線工程師的圖。此圖抵得上嘗試直接獲得時(shí)鐘格式的多次通話或電子郵件溝通過(guò)程中的千言萬(wàn)語(yǔ)。

　　由于圖表可能會(huì)很復(fù)雜繁瑣，就需要提供相應(yīng)的簡(jiǎn)介文檔，包括產(chǎn)生的時(shí)鐘、任何時(shí)鐘門(mén)控或復(fù)用圖案的詳情以及歪曲率平衡和延遲要求等方面的闡釋。每種工作模式都需要這些詳細(xì)信息，因?yàn)樵诓迦霑r(shí)鐘樹(shù)期間必須應(yīng)對(duì)每種模式。寄存器可能最后會(huì)提供用于功能模式的平衡，但如果我們不仔細(xì)的話，測(cè)試模式下可能極不平衡。

　　如果時(shí)鐘使用DLL或其他宏或它通過(guò)門(mén)控邏輯，這些詳細(xì)信息就在所必需了。如果有需要的話，有可能通過(guò)那些類型的宏來(lái)合成及平衡。對(duì)于門(mén)控邏輯而言，如果存在一個(gè)引腳通過(guò)一種模式來(lái)連接、但同單元的其他引腳采用另一種模式來(lái)連接的情況，走線工具將把這種情況識(shí)別為“重匯聚時(shí)鐘”。雖然布線工具可以解決這些問(wèn)題，但更好的解決辦法可能是迫使工具在時(shí)間插入期間查看這個(gè)引腳而非其他引腳。

　　業(yè)界軟件工具中的CTS

　　業(yè)界軟件遵循設(shè)計(jì)人員的規(guī)格及指引，以強(qiáng)大的工具推動(dòng)時(shí)鐘樹(shù)合成。源自前工序的跟時(shí)鐘樹(shù)根插入點(diǎn)、延遲、歪曲率及過(guò)渡目標(biāo)相關(guān)的信息以及用于門(mén)控邏輯、通過(guò)寄存器和跨域關(guān)系的詳細(xì)信息能夠直接移植到CTS工具中。然后布線工程師將自已判斷要使用的緩沖器類型、優(yōu)化迭代及間距、屏幕和金屬層等布線要求。

　　在插入時(shí)鐘樹(shù)之前，能夠使用走線來(lái)確保存在旨在用于平衡的端點(diǎn)。還能夠提示及評(píng)估門(mén)控邏輯、時(shí)鐘樹(shù)根排除的分支、IO端點(diǎn)以及重匯聚實(shí)例。

　　時(shí)鐘樹(shù)可能僅包含緩沖單元或是系列反相器。如今的大多數(shù)技術(shù)擁有特別的時(shí)鐘緩沖及時(shí)鐘反相單元，這些單元提供平衡的上升及下降時(shí)間，以幫助確保占空比不被損及。還可以整合其他要求，如時(shí)鐘樹(shù)中等級(jí)或各個(gè)時(shí)鐘單元的最大扇出。

　　結(jié)論

　　除了上文探討的所有因素，布線工程師很可能還會(huì)嘗試有時(shí)鐘門(mén)控意識(shí)的布局、時(shí)鐘布線指引及平面布局調(diào)整。CTS替代通常在極少調(diào)整歪曲率、延遲及過(guò)渡目標(biāo)的情況下運(yùn)行。試錯(cuò)法幫助提供極佳的協(xié)調(diào)。如果前工序理解CTS如何工作且在最開(kāi)始就溝通時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，那么布線工程師將能夠更加得心應(yīng)手地接手任務(wù)。日程中原本計(jì)劃用于CTS的時(shí)間就可以用于微調(diào)及改善“你的時(shí)鐘”，而非簡(jiǎn)單地嘗試將其插入到“我的布線”。