什么是時(shí)鐘偏斜？了解時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘偏斜

通過(guò)了解同步電路、時(shí)鐘傳輸和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，了解時(shí)鐘偏斜、它是什么及其對(duì)現(xiàn)代系統(tǒng)的影響。

現(xiàn)代數(shù)字電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一是滿足時(shí)序限制的能力。保持可預(yù)測(cè)且組織良好的邏輯操作流的一種方法是在數(shù)字電路中具有控制良好、定義明確的時(shí)序。

時(shí)鐘偏斜 是這些電路中的一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素，如果不適當(dāng)考慮，可能會(huì)成為重要的故障來(lái)源。事實(shí)上，在許多情況下，系統(tǒng)的時(shí)鐘偏差可能是整體系統(tǒng)速度和

時(shí)鐘頻率。要了解時(shí)鐘偏差，我們必須首先討論 同步電路。

同步電路和時(shí)鐘—最小時(shí)鐘周期計(jì)算

大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本特征是同步電路。

同步電路需要一種計(jì)時(shí)機(jī)制來(lái)保持有序和周期性的順序邏輯流。在數(shù)字電子產(chǎn)品中，這種計(jì)時(shí)機(jī)制被稱為時(shí)鐘，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一個(gè) 方波 頻率恒定。

如圖1所示，這些電路的工作原理是將靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，旨在鎖存數(shù)據(jù)，直到寄存器遇到時(shí)鐘的上升（或下降）沿。當(dāng)時(shí)鐘邊沿發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)從寄存器釋放，通過(guò)組合邏輯塊發(fā)送，然后存儲(chǔ)在下一個(gè)寄存器上。

圖1. 具有兩個(gè)順序寄存器的數(shù)據(jù)路徑同步電路。

這些操作發(fā)生的頻率由時(shí)鐘頻率設(shè)置，時(shí)鐘頻率由其他幾個(gè)參數(shù)設(shè)置。一般方程 最小時(shí)鐘周期 定義為：

因?yàn)?數(shù)字邏輯往往是同步電路，所有邏輯塊的精確時(shí)序?qū)τ谡_的系統(tǒng)行為至關(guān)重要。當(dāng)您考慮將圖1中的設(shè)置從一個(gè)數(shù)據(jù)路徑擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)路徑（就像實(shí)際芯片設(shè)計(jì)中存在的那樣）時(shí)，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)保持所有內(nèi)容同步是一項(xiàng)不平凡的挑戰(zhàn)。

在實(shí)踐中，時(shí)鐘信號(hào)通常由晶體振蕩器產(chǎn)生，饋入鎖相環(huán)（PLL），并分布在整個(gè)IC到系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)邏輯塊和晶體管。這種追求中最大的挑戰(zhàn)之一是時(shí)鐘偏斜，它可以定義為順序相鄰寄存器的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)間之間的差異。

這種情況可以用數(shù)學(xué)定義為：

發(fā)生時(shí)鐘偏斜的傳統(tǒng)設(shè)置如圖2所示，其中時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中的延遲導(dǎo)致數(shù)據(jù)寄存器B比寄存器A晚接收其時(shí)鐘信號(hào)。

圖2. 時(shí)鐘偏斜通過(guò)在時(shí)鐘的傳輸網(wǎng)絡(luò)中插入延遲來(lái)證明。

如果接收寄存器晚于發(fā)送寄存器接收時(shí)鐘，則偏斜可以定義為正，在相反的情況下，偏斜可以定義為負(fù)。時(shí)鐘偏斜成為數(shù)字設(shè)計(jì)中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，因?yàn)樗赡苓`反同步電路所依賴的時(shí)序約束。

例如，給定恒定的時(shí)鐘頻率和負(fù)偏斜，如圖3所示，時(shí)鐘到達(dá)接收寄存器B的時(shí)間比發(fā)送寄存器A早得多。在這種情況下，從發(fā)送寄存器發(fā)送的數(shù)據(jù)將在時(shí)鐘到達(dá)后到達(dá)接收寄存器。在這里，數(shù)據(jù)不符合接收寄存器的設(shè)置和保持要求（即，在時(shí)鐘到達(dá)時(shí)，數(shù)據(jù)在接收寄存器上不容易獲得）。因此，由于接收寄存器無(wú)法安全地鎖存數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)將丟失。然后，這個(gè)概念將產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，因?yàn)橐蕾囉趤G失數(shù)據(jù)的未來(lái)邏輯操作也將失敗。

圖3. 負(fù)時(shí)鐘偏斜導(dǎo)致數(shù)據(jù)在其時(shí)鐘之后到達(dá)接收寄存器B。

正如我們?cè)谧畲髸r(shí)鐘頻率方程中看到的，時(shí)鐘偏斜的增加將增加最小時(shí)鐘周期并降低系統(tǒng)的最大時(shí)鐘頻率。這是因?yàn)闀r(shí)鐘偏斜有效地增加了排序開(kāi)銷，減少了組合邏輯中可用于有用工作的時(shí)間。還值得注意的是，時(shí)鐘不需要同時(shí)交付，但時(shí)鐘偏斜通常有一個(gè)可接受的誤差范圍。

時(shí)鐘偏斜的原因

雖然有很多 時(shí)鐘偏斜的原因，它們最終都?xì)w結(jié)為時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中延遲的差異。

時(shí)鐘偏斜的一個(gè)原因

是時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中互連之間的不同長(zhǎng)度。如果到兩個(gè)順序寄存器的時(shí)鐘傳送路徑中的互連長(zhǎng)度變化很大，則可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘偏斜。沿較短互連行進(jìn)的時(shí)鐘將比沿較長(zhǎng)互連行進(jìn)的時(shí)鐘更快地到達(dá)其寄存器。

時(shí)鐘偏差的另一個(gè)原因可能是時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)上互連延遲的差異。即使兩條時(shí)鐘傳輸路徑的長(zhǎng)度相同，它們也可能因電阻、電容或電感耦合等寄生效應(yīng)而經(jīng)歷不同的延遲。在圖4的示例中，RC寄生效應(yīng)的任何差異都將導(dǎo)致寄存器A和B的時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間的不同延遲。延遲較大的線路上的時(shí)鐘信號(hào)自然會(huì)比延遲較小的信號(hào)晚到達(dá)目的地。將互連設(shè)計(jì)為具有相同的延遲可能是一項(xiàng)極其困難的任務(wù)。

圖4. RC寄生效應(yīng)的變化會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘偏差。

時(shí)鐘偏斜也可能是由時(shí)鐘信號(hào)的邏輯路徑延遲差異引起的。例如，在包含時(shí)鐘門控的設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘的傳輸路徑中可能存在額外的門，每個(gè)門都有自己的負(fù)載電容和傳播延遲。如果不均衡，邏輯路徑的差異可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘交付時(shí)間不相等。

其他原因可能包括溫度變化、制造變化和材料缺陷。

通過(guò)時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)最大限度地減少時(shí)鐘偏差

隨著時(shí)鐘頻率的增加，時(shí)鐘偏斜可能成為一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，因?yàn)殡S著時(shí)鐘頻率的增加，誤差幅度會(huì)顯著降低。為了最大限度地減少時(shí)鐘偏差，復(fù)雜的同步電路采用類似于圖5所示的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。這些通常也稱為時(shí)鐘樹(shù)。時(shí)鐘樹(shù)中的每個(gè)逆變器放大時(shí)鐘信號(hào)以驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘樹(shù)的下一級(jí)。目標(biāo)是使時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)到達(dá)所有寄存器輸入。

圖5. 具有并行時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)示例。

對(duì)于具有數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)晶體管的超大型IC，時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)可能比圖4的簡(jiǎn)單示例復(fù)雜得多。這些網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建通常由電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件自動(dòng)處理。工程師輸入目標(biāo)頻率、寄存器建立和保持時(shí)間限制以及最大時(shí)鐘偏斜等關(guān)鍵參數(shù)。然后，軟件生成時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)以滿足目標(biāo)時(shí)序約束。

結(jié)論

時(shí)鐘偏斜是數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要主題。如果考慮不當(dāng)，時(shí)鐘偏差會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)操作不當(dāng)、數(shù)據(jù)丟失或成為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的限制因素。