時(shí)鐘分配的三種方式及應(yīng)用領(lǐng)域介紹

對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，目前絕大部分的場(chǎng)合都是采用同步邏輯電路，而同步邏輯電路中必不可少的就是時(shí)鐘。數(shù)字信號(hào)的可靠傳輸依賴于準(zhǔn)確的時(shí)鐘采樣，一般情況下發(fā)送端和接收端都需要使用相同頻率的工作時(shí)鐘才可以保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失（有些特殊的應(yīng)用中收發(fā)端可以采用大致相同頻率工作時(shí)鐘，但需要在數(shù)據(jù)格式或協(xié)議層面做些特殊處理）。為了把發(fā)送端的時(shí)鐘信息傳遞到接收端以進(jìn)行正確的信號(hào)采樣，數(shù)字總線采用的時(shí)鐘分配方式大體上可以分為3類，各有各的應(yīng)用領(lǐng)域。

并行時(shí)鐘

傳統(tǒng)的并行總線使用一路時(shí)鐘和多路信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如PCI總線、大部分CPU、DSP的本地總線等。這些總線工作時(shí)有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)的發(fā)出和接收都是在時(shí)鐘的有效沿進(jìn)行。下圖是個(gè)采用并行時(shí)鐘的總線例子。

為了保證接收端在時(shí)鐘有效沿時(shí)采集到正確的數(shù)據(jù)，通常都有建立/保持時(shí)間的要求，以避免采到數(shù)據(jù)線上跳變時(shí)不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此這種總線對(duì)于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線間走線長(zhǎng)度的差異都有嚴(yán)格要求。這種并行總線在使用中最大的挑戰(zhàn)是當(dāng)總線時(shí)鐘速率超過(guò)幾百M(fèi)Hz后就很難再提高了，因?yàn)槠浜芏喔⑿芯€很難滿足此時(shí)苛刻的走線等長(zhǎng)的要求，特別是當(dāng)總線上同時(shí)掛有多個(gè)設(shè)備時(shí)。

嵌入式時(shí)鐘

為了解決并行總線工作時(shí)鐘頻率很難提高的這個(gè)問(wèn)題，一些系統(tǒng)和芯片的設(shè)計(jì)廠商提出了嵌入式時(shí)鐘的概念。其思路首先是把原來(lái)很多根的并行線用一對(duì)或多對(duì)高速差分線來(lái)代替，節(jié)省了布線空間；然后把系統(tǒng)的時(shí)鐘信息通過(guò)數(shù)據(jù)編碼的方式嵌在數(shù)據(jù)流里，省去了專門(mén)的時(shí)鐘走線。信號(hào)到了接收端，接收端采用相應(yīng)的CDR(clock-data recovery)電路把數(shù)據(jù)流中內(nèi)嵌的時(shí)鐘信息提取出來(lái)再對(duì)數(shù)據(jù)采樣。下圖是個(gè)采用嵌入式時(shí)鐘的總線例子。

這種方法由于不需要單獨(dú)的時(shí)鐘走線，各對(duì)差分線可以采用各自獨(dú)立的CDR電路，所以對(duì)各對(duì)線的等長(zhǎng)要求不太嚴(yán)格（即使要求嚴(yán)格也很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樽呔€數(shù)量大大減少，而且信號(hào)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸）。為了把時(shí)鐘信息嵌在數(shù)據(jù)流里，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，比較常用的編碼方式如ANSI的8b/10b編碼，64b/66b編碼、曼徹斯特編碼以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾等。目前流行的PCI-E、SATA、FC、XAUI、DP等都是采用的ANSI 的8b/10b編碼。

嵌入式時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于CDR電路，CDR的工作原理如下圖所示。CDR通常是用一個(gè)PLL電路實(shí)現(xiàn)，可以從數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘。PLL電路通過(guò)鑒相器（Phase Detector）比較輸入信號(hào)和本地VCO（壓控振蕩器）間的相差，并把相差信息通過(guò)環(huán)路濾波器（Filter）濾波后轉(zhuǎn)換成低頻的對(duì)VCO的控制電壓信號(hào)，通過(guò)不斷的比較和調(diào)整最終實(shí)現(xiàn)本地VCO對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)鐘鎖定。

采用這種時(shí)鐘恢復(fù)方式后，由于CDR能跟蹤上數(shù)據(jù)中的一部分低頻抖動(dòng)，所以數(shù)據(jù)傳輸中增加的低頻抖動(dòng)對(duì)于接收端采樣影響不大，因此更適于長(zhǎng)距離傳輸。（不過(guò)由于受到環(huán)路濾波器帶寬的限制，數(shù)據(jù)線上的高頻抖動(dòng)仍然會(huì)對(duì)接收端采樣產(chǎn)生比較大的影響。）
采用嵌入式時(shí)鐘的缺點(diǎn)在于電路的復(fù)雜度增加，而且由于數(shù)據(jù)編碼需要一些額外開(kāi)銷，降低了總線效率。

前向時(shí)鐘

隨著技術(shù)的發(fā)展，一些對(duì)總線吞吐速率和效率要求更高的應(yīng)用中開(kāi)始采用另一種時(shí)鐘分配方式，即前向時(shí)鐘（Forward Clocking）。前向時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)得益于DLL （delay locked loop）電路的成熟。DLL電路最大的好處是可以很方便地用成熟的CMOS工藝大量集成，而且不會(huì)增加抖動(dòng)。目前很多FPGA芯片如Xilinx公司Spartan/Virtex系列和Altera公司的Stratix系列FPGA內(nèi)部都集成了大量的DLL電路。

下圖是一個(gè)前向時(shí)鐘的典型應(yīng)用：總線仍然有單獨(dú)的時(shí)鐘傳輸通路，而與傳統(tǒng)并行總線所不同的是接收端每條信號(hào)路徑上都有一個(gè)DLL電路。電路開(kāi)始工作時(shí)可以有一個(gè)訓(xùn)練的過(guò)程，接收端的DLL在訓(xùn)練過(guò)程中可以根據(jù)每條鏈路的時(shí)延情況調(diào)整時(shí)延，從而保證每條數(shù)據(jù)線都有充分的建立保持時(shí)間。

采用前向時(shí)鐘的總線因?yàn)橛袑ｉT(mén)的時(shí)鐘通路，不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，所以總線效率一般都比較高。還有一個(gè)好處是線路噪聲和jitter對(duì)于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線的影響基本是一樣的（因?yàn)樽呔€通常都在一起），所以對(duì)系統(tǒng)的影響可以消除到最小。

嵌入式時(shí)鐘的電路對(duì)于線路上的高頻抖動(dòng)非常敏感，而采用前向時(shí)鐘的電路對(duì)高頻抖動(dòng)的敏感度就相對(duì)小得多。前向時(shí)鐘總線典型的數(shù)據(jù)速率在500Mbps～8Gbps。

在前向時(shí)鐘的拓?fù)淇偩€中，時(shí)鐘速率通常是數(shù)據(jù)速率的一半（也有采用1/4速率、1/10或其它速率的），數(shù)據(jù)在上下邊沿都采樣，也就是通常所說(shuō)的DDR方式。使用DDR采樣的好處是時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線在設(shè)計(jì)上需要的帶寬是一樣的，任何設(shè)計(jì)上的局限性（比如trace的衰減特性）對(duì)于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線的影響是一樣的。

前向時(shí)鐘在一些關(guān)注效率、實(shí)時(shí)性，同時(shí)需要高吞吐量的總線上應(yīng)用比較廣泛，比如服務(wù)器上曾經(jīng)應(yīng)用的FB-DIMM內(nèi)存總線、Intel公司CPU互連的QPI總線、AMD公司CPU的HT總線，還有象DDR/GDDR等總線也是使用相同的概念。