時(shí)鐘同步的總線電路方案

高速數(shù)字電路模塊通常以 同步 (synchronous)電路的形式實(shí)現(xiàn)，它們由一個或者多個時(shí)鐘驅(qū)動(觸發(fā))。對于 單一時(shí)鐘(域) 的同步電路而言，只要輸入和時(shí)鐘的關(guān)系滿足 建立(setup)時(shí)間 、保持(hold)時(shí)間的時(shí)序關(guān)系，電路的輸出(布爾值)就是可預(yù)測的，這是數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如果 不能滿足建立保持時(shí)間 ，我們認(rèn)為輸入是 異步 (asynchronous) 信號 。一個時(shí)鐘域的同步信號輸出到另一個時(shí)鐘域通常被認(rèn)為是異步信號。

本文從同步電路的時(shí)序模型出發(fā)，探討了兩種時(shí)鐘同步的總線電路方案：

共同時(shí)鐘 (common clock)總線

源同步 (source synchronous)總線

共同時(shí)鐘總線的收發(fā)端使用同一時(shí)鐘，結(jié)構(gòu)簡單，由于物理限制和PVT效應(yīng)，局限于時(shí)鐘速率比較低的應(yīng)用;源同步總線增加 接口時(shí)鐘 ，并以 與數(shù)據(jù)相同的方式發(fā)送 ，大大提升了接口時(shí)鐘速率，由于引入了 不同的時(shí)鐘域 ，也增加了接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

1. 時(shí)鐘同步電路的時(shí)序模型

<圖1>

寄存器A在時(shí)鐘(launch clock)的上升沿打出數(shù)據(jù)，經(jīng)過兩段飛行時(shí)間(傳輸延時(shí))和組合邏輯電路延時(shí)之后，在下一個時(shí)鐘沿(capture clock)被寄存器B抓取，這里假設(shè)A、B的時(shí)鐘完全相同 - 頻率相同相位相同。在兩個時(shí)鐘上升沿之間，按照時(shí)間順序，發(fā)生了下列事件：

寄存器A打出輸出(QA)。QA在上升沿之后一段時(shí)間才能有效(valid)，這個時(shí)間是tco(clock to output);

傳輸延時(shí)tflight1，組合邏輯電路引起的延時(shí)tlogic，傳輸延時(shí)tflight2;

寄存器B抓取輸入。輸入在時(shí)鐘上升沿之前必須提前穩(wěn)定(建立時(shí)間tsetup)，在時(shí)鐘上升沿之后保持一段時(shí)間(保持時(shí)間thold)。假如不滿足建立、保持時(shí)間的要求，那么B的輸出可能會非0非1的亞穩(wěn)態(tài)(Metastability)。

<圖2>

把這些事件銜接在一起，形成了時(shí)序預(yù)算(timing budget)分配圖。注意，‘X’表示不確定區(qū)間，通常是由PVT(制程電壓溫度)效應(yīng)引起的偏差。

tsetup_margin = Period - tco(max)- tflight1 - tlogic(max) - tflight2 - tsetup

thold_margin = tco(min) + tflight1 + tlogic(min) + tflight2 - thold

tsetup_margin和thold_margin為 時(shí)序裕量 (margin)，它>=0代表滿足建立保持時(shí)間要求。

2. 共同時(shí)鐘(common clock)系統(tǒng)總線

共同時(shí)鐘系統(tǒng)其實(shí)可以借用<圖1>，只需要把寄存器換成芯片(系統(tǒng))。

共同時(shí)鐘系統(tǒng)只有一個時(shí)鐘(域)，無論發(fā)送端還是接收端。

回到時(shí)序計(jì)算公式，要使tsetup_margin >=0，可以得到：

Period >= tco(max) + tflight1 + tlogic(max) + tflight2 + tsetup

右邊這些參數(shù)代表了真實(shí)的物理局限，它們決定了時(shí)鐘可以跑多快(時(shí)鐘周期最小是多少)。

tflight1、tflight2來自于PCB走線，連接器，芯片封裝等等。

tco、tsetup、tlogic代表芯片的 物理特性參數(shù) 。不同的芯片在不同的溫度/電壓下由于PVT效應(yīng)表現(xiàn)會有變化，形成了時(shí)序圖上的 不確定區(qū)間 。我們必須計(jì)算最惡劣(worst case)的情況，這會吃掉時(shí)序裕量。

而且，我們也做不到理想的單一同步時(shí)鐘。出于信號質(zhì)量的考量，時(shí)鐘信號通常是點(diǎn)對點(diǎn)(point to point)的連接。不同模塊的時(shí)鐘，通常是連接同一個時(shí)鐘buffer的不同扇出(fanout)。在工程實(shí)踐上，理想的同步很難做到，只能把相位偏差(skew)控制在一定范圍內(nèi)。

所有這些，都限制了時(shí)鐘速度或者數(shù)據(jù)吞吐量的提升，而優(yōu)化參數(shù)常常意味著成本的抬升。老戚看到的共同時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)鐘沒有超過100MHz的。實(shí)現(xiàn)更高速總線的解決辦法是源同步時(shí)鐘方案。

3. 源同步(source synchronous)系統(tǒng)

源同步在芯片(系統(tǒng))接口上 同時(shí)輸出數(shù)據(jù)和(接口)時(shí)鐘 ，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘采用完全相同的IO結(jié)構(gòu)，從而最大程度的抵消tco，tflight等等。通常認(rèn)為，同一個芯片上的PVT效應(yīng)也是一致的。

<圖3>

<圖3>是典型的中心對齊(center aligned)的源同步DDR輸出。內(nèi)部PLL的輸出兩路相位相差90度的時(shí)鐘，經(jīng)過同等的傳輸延時(shí)，到達(dá)接收端的時(shí)候，時(shí)鐘剛好處在數(shù)據(jù)的中心(假定接收端建立保持時(shí)間的要求也是對等的)。接收端使用接口時(shí)鐘clock_out抓取數(shù)據(jù)data_out，緊接著把數(shù)據(jù)同步到本地時(shí)鐘。 接口時(shí)鐘和本地時(shí)鐘并不一致 ，屬于 不同的時(shí)鐘域 。

現(xiàn)有的高速并行接口無一例外都是源同步，最典型的當(dāng)然是內(nèi)存接口。以DDR4為例，地址/命令/片選信號和主時(shí)鐘形成了一組源同步總線，內(nèi)存數(shù)據(jù)DQ每8位就會有一個DQS信號作為接口時(shí)鐘，形成源同步的數(shù)據(jù)時(shí)鐘總線。在接收端，數(shù)據(jù)會先被抓取到相應(yīng)DQS的時(shí)鐘域，然后同步到主時(shí)鐘。

源同步很好的解決了接口總線的速度問題，卻也引入了不同的時(shí)鐘域， 增加了收發(fā)接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜度 。(系統(tǒng)攻城獅成功甩鍋給了芯片)

4.跨時(shí)鐘域(clock domain crossing)

實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘域的信號傳遞要回到時(shí)鐘域C0的輸出到時(shí)鐘域C1的輸入的建立保持時(shí)間的基本問題。

假如時(shí)鐘C0/C1 同源 (不同頻，例如分頻/倍頻關(guān)系)而且相位差固定的 可以直接用本地時(shí)鐘抓取 ;同頻(源)但是不知道相位關(guān)系不確定的可以以FIFO的方式解決;有頻差的也可以用 FIFO解決 ，但要防止溢出(overrun，underrun)。

還是以DDR4內(nèi)存接口為例，假設(shè)主時(shí)鐘是1600MHz，那么DQS則是倍頻 --- 3200MHz。由于時(shí)鐘(包括地址/命令/片選)信號的fly-by拓?fù)?，時(shí)鐘到達(dá)不同內(nèi)存顆粒存在先后順序。對于寫操作(write)，控制器通過write leveling偵測到未經(jīng)調(diào)整的DQS和主時(shí)鐘的相位關(guān)系，相應(yīng)的調(diào)整輸出DQS的相位，保證內(nèi)存顆粒接收的DQS和主時(shí)鐘保持 特定的相位關(guān)系 ，從而在顆粒內(nèi)部能夠以最簡單的方式(同時(shí)延時(shí)latency最小)完成跨時(shí)鐘域。對于讀操作，似乎有read leveling來實(shí)現(xiàn)相似的功能(這方面資料不詳)。有趣的是，在DDR4內(nèi)存接口，控制器(通常邏輯更為復(fù)雜)承擔(dān)了所有時(shí)序調(diào)整的責(zé)任，內(nèi)存(存儲廠商的邏輯設(shè)計(jì)能力要差一些)接口則以最簡化的方式工作。

在以太網(wǎng)領(lǐng)域，處理跨時(shí)鐘域更常用的方法是FIFO(First In First Out)。FIFO不僅能夠處理同頻時(shí)鐘的跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也能處理不同頻率(有限頻差)的跨時(shí)鐘域處理，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。PCIe協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議都運(yùn)用基于FIFO的 彈性緩沖 (elastic buffer)來處理系統(tǒng)時(shí)鐘的PPM偏差問題，這個話題咱們下回分解。