数字IC前端学习笔记：时钟切换电路

有些时候我们需要在系统运行时切换系统时钟，最简单的方法就是使用一个MUX（数据选择器）选择输出的时钟，如下代码片所示。但这样做会导致毛刺的产生，这可能会导致寄存器的输出产生亚稳态。由于时钟在一个系统内是如此的重要，这种亚稳态可能会使整个系统宕机。一个简单的使用数据选择器的时钟切换电路如下图1所示，时钟切换时的毛刺如图2所示。

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module clock_switch(input clk_1, clk_2, select, output reg clk_out);
    always@(*) begin
        if(select == 1'b1)
            clk_out = clk_1;
        else
            clk_out = clk_2;
    end        
endmodule

图1 简单的数据选择器

图2 有毛刺的波形

一种不会产生毛刺的时钟切换电路如下图3所示。该电路的输出为两个时钟门控输出的与，上半部分电路控制时钟clk_A，当门控信号a2i_2为1时门控关闭时钟clk_A，当门控信号a2i_2为0时门控打开时钟clk_A。下半部分电路控制时钟clk_B，当门控信号a4i_2为1时门控关闭时钟clk_B，当门控信号a4i_2为0时门控打开时钟clk_B。控制信号sel用于选择clk_A还是clk_B，当sel为0时a3o输出0，由于sel和a3i_2信号都不是clk_B时钟域的信号，因此这个输出需要经过clk_B时钟域的两级同步器得到a3o_sync信号，最后a3o_sync信号通过clk_B的下降沿采样得到a4i_2和!a4i_2，a4i_2用于关闭clk_B，而!a4i_2用于拉高a1o，从而最后将a2i_2拉高，即打开时钟clk_A（注意到对于a1o，即使sel为0，a1i_1为1，也不会立刻拉高，因为!a4i_2仍然为0），对sel为1的分析与上面类似，在此不详述。可以看到这种结构在时钟切换的过程中，首先关闭正在运行的时钟（此时没有时钟输出，输出恒为0），然后再开启另一个时钟，且这个关闭和开启的动作都是由本时钟所同步的行为，即clk_A负责关闭和开启clk_A，clk_B负责关闭和开启clk_B，这样就在一定程度上避免了毛刺的产生。S3和S6这两个触发器需要下降沿触发，这是为了在关闭和打开时钟时不产生毛刺，因为寄存器S3和S6的输出有一定延迟。如果使用上升沿触发，此时时钟信号为高电平，但门控信号a2i_2和a4i_2需要延迟一段时间才会拉高或拉低，此时会在a20和a4o产生毛刺，下降沿触发则不会有这个问题，因为时钟信号为低，这保证了a20和a4o一定为低，如图4和图5所示。但值得注意的是，这在无形中对时钟的占空比提出了要求，即占空比不能太高，最好为50%左右，否则还是会导致输出出现毛刺（在S3，S6延迟较大时）。图中的B2、B3、B4、B5实际综合后可能不存在，因为有专门的下降沿触发的寄存器，同时寄存器也有取反输出端。

图3 无毛刺的时钟切换电路

图4 使用上升沿触发出现毛刺

图4 使用下升沿触发不出现毛刺

图5是没有毛刺的切换电路的波形图，可以看到切换有一定延迟但不会出现毛刺。

图5 没有毛刺的波形

下面是以上电路的Verilog描述，在这里面要注意S3和S6的时钟触发沿。

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module clock_switch(input clk_1, clk_2, select, rst_n1, rst_n2, output clk_out);  
//上半部分时钟控制的逻辑  
    wire a1i_1, a1o, a2o;
    reg a1o_r, a1o_syn, a2i_2, a4i_2;
    assign a1i_1 = !select;
    assign a1o = a1i_1 & !a4i_2;

    always@(posedge clk_1 or negedge rst_n1)begin //打两拍同步
        if(!rst_n1)begin
            a1o_r <= 0;
            a1o_syn <= 0;
        end
        else begin
            a1o_r <= a1o;
            a1o_syn <= a1o_r;
        end
    end

    always@(negedge clk_1 or negedge rst_n1)begin //注意这里用下降沿触发
        if(!rst_n1)
            a2i_2 <= 0;
        else
            a2i_2 <= a1o_syn;
    end

    assign a2o = a2i_2 & clk_1;

//下半部分时钟控制的逻辑   
    wire a3o, a4o;
    reg a3o_r, a3o_syn;
    assign a3o = select & !a2i_2;

    always@(posedge clk_2, negedge rst_n2)begin //打两拍同步
        if(!rst_n2)begin
            a3o_r <= 0;
            a3o_syn <= 0;
        end
        else begin
            a3o_r <= a3o;
            a3o_syn <= a3o_r;
        end
    end

    always@(negedge clk_2 or negedge rst_n2)begin //注意这里用下降沿触发
        if(!rst_n2)
            a4i_2 <= 0;
        else
            a4i_2 <= a3o_syn;
    end

    assign a4o = a4i_2 & clk_2;

//输出的与门逻辑
    assign clk_out = a2o | a4o;
endmodule

文中图3来源于《数字IC设计入门》