一种MCU时钟系统的设计

一种MCU时钟系统的设计

摘要：介绍了一个基于ＭＣＵ内核的时钟系统的设计，给出了其电路结构并详细地分析了系统的工作原理。该系统能生成两相不重叠时钟，利用静态锁存器保存动态信息，提供三种电源管理方式以适应低功耗应用。在上华（ＣＳＭＣ）０．６μｍ工艺库下，利用Ｃａｄｅｎｃｅ ＥＤＡ工具对电路进行了仿真，仿真结果验证了设计的准确性。

    关键词：微控制器 时钟系统 两相不重叠时钟

时钟系统是微控制器（ＭＣＵ）的一个重要部分，它产生的时钟信号要贯穿整个芯片。时钟系统设计得好坏关系到芯片能否正常工作。在工作频率较低的情况下，时钟系统可以通过综合产生，即用Ｖｅｒｉｌｏｇ／ＶＨＤＬ语言描述电路，并用ＥＤＡ工具进行综合。然而，用工具综合存在电路性能低、优化率不高的问题，不适合应用在各种高性能微处理器芯片上。而采用人工设计逻辑并手工输入电路图甚至物理版图的方式，能使设计的电路灵活，性能更好。基于这些考虑，设计了一个ＭＣＵ时钟系统。

１ 基本时钟输入的选择

ＣＰＵ核分微处理器（ＭＰＵ）和微控制器（ＭＣＵ），两者的基本时钟一般都以单频方波的形式提供。时钟有三种产生方式：

（１）用晶体振荡器产生精确而稳定的时钟信号；

（２）用压控振荡器产生可调频率范围较宽的时钟信号；

（３）结合以上两种技术，用压控振荡器生成时钟信号。

基本时钟信号的产生可以有芯片外和芯片内两种方法。但是时钟信号必须是稳定的信号，对于稳定度要求特别高的场合（如ＭＰＵ和ＭＣＵ），采用芯片外提供是必不可少的。故本设计采用外接晶振的方法。

２ 两相时钟方案

时钟技术是决定和影响电路功耗的主要因素，时钟偏差是引起电路竞争冒险的主要原因。为了消除竞争、提高频率、降低功耗，在基本时钟方案方面，ＭＰＵ和ＭＣＵ一般有三种选择：单相时钟、多相时钟和沿触发方案。在当前的设计中，沿触发方案由于在数据传递方面有一定困难已很少被使用。单相时钟方案因为在时序和传输上比较简单可靠，在所有的方案中使用的晶体管也是最少，所以被一些高性能芯片使用，如ＤＥＣ公司?现被ＨＰ公司并购?的Ａｌｐｈａ２１６６４微处理器。但是，对ＣＭＯＳ电路来说，采用单相时钟就无法使用动态电路，而且因组合逻辑块中逻辑元件的速度高低都受到限制而呈现困难。

图１是一个单相有限状态机，圆圈内为组合逻辑块ＣＬ。

    设ＴＬ＋ＴＨ＝ＴＰ，其中ＴＰ为时钟周期，ＴＨ和ＴＬ分别为时钟高电平和低电平时间。如果要使时钟定时与数据无关，则最长的传播延迟必须小于ＴＰ，信号（甚至可能是由于内部竞争冒险产生的尖峰所造成的假信号）到达ＣＬ输出端可能取的最短时间必须大于ＴＨ。令τＣＬ代表ＣＬ延迟范围，则：

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