聊一聊無毛刺時鐘切換的問題

先說為什么要做clock switching，在現(xiàn)代的SoC設(shè)計中，很多時候我們設(shè)計的模塊并不是要跑在一個固定的頻率下，而是根據(jù)性能和功耗的要求要跑在不同的時鐘頻率下，當(dāng)需要降低功耗以及不需要很高性能的時候，我們可以降低時鐘頻率，將驅(qū)動這個模塊的時鐘換成一個慢速時鐘。通常時鐘控制模塊會產(chǎn)生不同頻率的時鐘，可能來自不同的PLL，也可能是來自不同的時鐘分頻器，然后有選擇邏輯來選擇讓哪一個時鐘驅(qū)動電路。

那么針對這個，面試官可能直接問你如何做時鐘切換。如果你對于時鐘切換完全沒有概念，你腦子里可能想到的是一個MUX結(jié)構(gòu)，如下圖所示

看起來解決了問題，當(dāng)SEL為0的時候，CLK0被上面的AND門給block住，當(dāng)SEL為1的時候，CLK1被下面的AND門給block住。但是問題會出在SEL變化的時候，AND的門變化是立刻的，當(dāng)SEL恰好在CLK0為高的時候從1變?yōu)?，或者恰好在CLK1為高的時候從0變?yōu)?，那么輸出的CLK_OUT就會產(chǎn)生一個毛刺glitch。

（電路中產(chǎn)生了glitch為什么有害？）

那么接下來我們就要思考如何避免毛刺的產(chǎn)生。一個思路就是，我們要先把當(dāng)前正選中的時鐘完全停下來，然后再切換成我們想要的目標(biāo)時鐘。

然后問題就變成了，我們在什么時候可以把當(dāng)前時鐘停下來且無毛刺，以及我們在什么時候可以讓目標(biāo)時鐘通過且無毛刺。

關(guān)于什么時候讓時鐘停下來且無毛刺，我們回想一下我們在設(shè)計clock gating里也遇到過類似的問題，解決的辦法是利用一個負(fù)沿觸發(fā)的latch，使得真正的gating發(fā)生在clock為低的時候。這里我們也要利用這個想法，即在clock為低的時候停住clock。相應(yīng)的，對于目標(biāo)clock，我們也在它為低的時候打開，這樣下一個正沿就可以完整的輸出。

利用clock gating的設(shè)計，這樣我們就可以得到下面一個電路：

上面的兩個flop注意都是負(fù)沿觸發(fā)的，也就是說它們的Q會在CLK1和CLK2的下降沿到來之后才發(fā)生變化，這樣就可以保證CLK1/2為高的半個周期完整的輸出，同時，切換為另外一路的時候由于Flop之前的AND門，也保證了即使SELECT立刻變化，AND門的輸出也是在另外一路停下來之后才能發(fā)生變化，這樣就保證了先停一路，再切另外一路。

看起來問題解決了，但是上面的電路有什么問題呢？如果你看過老李之前的跨時鐘域系列文章，應(yīng)該很迅速地發(fā)現(xiàn)，這里面有個CDC的問題。請問，SELECT信號到底是同步于CLK1還是CLK2呢？甚至有沒有可能SELECT信號是異步于CLK1和CLK2呢？我們說，如果CLK1和CLK2為兩個異步的CLK，那么SELECT至多和其中之一同步，和另外一路必然異步。既然是一個異步信號，那么直接去寄存器的D端就會產(chǎn)生CDC的問題，flop可能會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)！當(dāng)flop出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的時候，輸出CLK_OUT當(dāng)然也不是干凈穩(wěn)定的，造成的惡果不亞于毛刺！

好，那么要怎么解決問題亞穩(wěn)態(tài)的問題？很簡單加synchronizer，也就是要在flop前面再加一級flop，來達(dá)到利用2flop synchronizer來synchronize SELECT的目的。電路變成下面

這樣我們就解決了metastable的問題。一般來說，面試的時候你能把上面這個電路圖畫出來，并且解釋清楚里面每一個門的作用，以及這樣設(shè)計的思路，基本就達(dá)到了面試官的考察要求。

當(dāng)然老李給大家分析面試題通常都不會止步于此，上面的這個電路結(jié)構(gòu)大家在任何地方一搜索就可以得到。老李下面帶來時鐘切換中更加進(jìn)階的干貨內(nèi)容。

我們再來仔細(xì)思考上面的電路，有幾個點需要注意

1. 因為synchronizer的引入，當(dāng)SEL變化到en0發(fā)生變化需要2個CLK0周期，之后才能把CLK0停下來。也就是說，當(dāng)前CLK不是立刻停下來的，這一點大家在設(shè)計模塊的時候要留心一下，不能想當(dāng)然認(rèn)為SEL一變化CLK立刻就會停。
2. 而由于另外一路的synchronizer的延時，當(dāng)之前的CLK停下之后，目標(biāo)clock也不是立刻開始反轉(zhuǎn)，所以兩個clock切換中間會有一段時間CLK_OUT沒有clock，這個gap對你的系統(tǒng)是否有影響要仔細(xì)考慮。
3. 我們說是利用1個clock周期去使得metastable來穩(wěn)定下來。但就上面這個設(shè)計而言，我們在負(fù)沿觸發(fā)的flop之前只加了一級正沿觸發(fā)的flop，這樣留給flop輸出穩(wěn)定下來的時間只有 半個周期 。可能會使得MTBF達(dá)不到我們需要的值，所以這其實是一個trade off，你可以在前面再加一級正沿觸發(fā)的flop，這樣變成真正的2flop synchronizer。但是代價就是需要更多一個周期來停下clock，以及中間沒有clock的gap時間更長。
4. 在綜合以及PNR的時候，對于后面的兩個AND門和OR門要設(shè)為dont touch，避免綜合工具給替換成別的cell。

下面老李可能會問，如果我不希望你用負(fù)沿觸發(fā)的flop，因為我的工藝庫里面沒有，那么你要怎么設(shè)計？

思路就是用一個clock gating cell來替換掉上面的negedge flop和AND 門，clock gating我們說過打開時鐘和關(guān)閉時鐘都是無毛刺的。所以你可能會想到下面的電路

但是很不幸，上面的電路看起來完美無缺，但是其實并不能達(dá)到無毛刺的時鐘切換。往下看老李的提示之前，請你自己思考一下為什么？和上面的negedge flop + AND有什么區(qū)別呢？

其實原因就是en0變?yōu)?的時候CLK_OUT并不是立刻停住的！這是clock gating cell的特征。那么當(dāng)你把en0b傳給下一路，下面CLK1可能會在CLK0沒有完全停下的時候就打開了，還是會產(chǎn)生glitch。你可能會說，en0b到en1不還得經(jīng)過一段時間嗎？en1變?yōu)?到ICG打開不也得要時間嗎？你期望CLK0利用這段時間完全關(guān)斷。但是這并不一定，因為你并不知道CLK0和CLK1的頻率關(guān)系，如果CLK1比CLK0快很多，下面的synchronizer delay可能并不夠。我們要設(shè)計的是一個能夠在clk0和clk1在任意頻率下都可以工作的電路。

所以改進(jìn)的設(shè)計是要在en0之后再加一級flop，將延一拍之后的en0b_dly反饋給另外一路，這樣才能保證在當(dāng)前路完全關(guān)斷的情況下切換。

再擴(kuò)展問一個問題，上面我們設(shè)計的都是兩路clock之間進(jìn)行切換，如果要求你設(shè)計一個多路時鐘切換的電路，甚至要求時鐘的路數(shù)是參數(shù)化的，你要怎么設(shè)計呢？

關(guān)于多路時鐘切換，第一個要考慮的問題是，如何設(shè)計SEL？是用binary來編碼SEL還是別的方式？這里推薦用獨熱碼onehot來編碼SEL，因為任意時刻只會選中其中一路，天然就和onehot的編碼性質(zhì)相同，也就是N路clock，那么SEL就是N位，每一位對應(yīng)一路。利用onehot encoding的還有一個好處是參數(shù)化方便，如果利用binary，那么可能會遇到不合法的輸入，比如只有3路clock，但是SEL=2‘b11。

另外一個要考慮的問題是最后的那個OR門的實現(xiàn)，當(dāng)我們只有2路，3路clock需要切換的時候，庫里面有2輸入的普通OR門，但是并不推薦大家直接用。原因在于，由于最終我們輸出的是一個時鐘信號，那么我們通常要求時鐘信號的transition是非常干凈的，而且上升沿和下降沿是平衡的，即tr(rising delay)和tf(falling delay)是幾乎差不多的，而普通的2輸入OR門并不保證它們tr和tf相等，而且是與2輸入中連哪一個輸入pin有關(guān)。為了解決這個問題，工藝庫廠家一般會提供一些特殊的CELL，進(jìn)行了專門的設(shè)計，可以使得tr和tf幾乎相等，并且兩個輸入pin的延時也是一樣的，并不區(qū)分，所以我們要例化那些特殊的專門給clock path上用的cell。但是當(dāng)輸入變成了多路clock，比如4路，5路，甚至更多路比如8路，16路的時候，廠家也不會提供balanced 多輸入clock OR cell。這個時候我們就要專門利用NAND tree來實現(xiàn)最后的OR邏輯，并且要保證每一路所需要的NAND cell delay是一樣的（思考題：為什么要balance每一路？）舉個例子一個利用NAND tree來達(dá)到2input OR的結(jié)構(gòu)如下

最后再提一個很多人都會忽視的問題，請問大家，在上面設(shè)計的無毛刺時鐘切換電路，對于其中synchronizer flop，以及clock gating cell，你有沒有考慮reset信號的影響? 如果你的reset信號是異步reset，那么當(dāng)你reset active的時候，clock會立刻被切斷，那么是不是也會產(chǎn)生glitch?

這個問題的解決思路有兩個，一是假設(shè)你在reset狀態(tài)下選中的是clock0，那么需要你在assert reset之前要先切換到clock0；如果不是，比如reset assert的時候是clock3，那么你需要保證所有被clock3驅(qū)動的下游邏輯也都會被這個reset信號給復(fù)位。