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絕對幹貨：防毛刺的時鍾切換電路設計思路

發布時間：2015-01-16 責任編輯：sherryyu

【導讀】如(ru)果(guo)將(jiang)如(ru)何(he)設(she)計(ji)防(fang)止(zhi)毛(mao)刺(ci)發(fa)生(sheng)的(de)時(shi)鍾(zhong)切(qie)換(huan)電(dian)路(lu)及(ji)危(wei)害(hai)告(gao)訴(su)大(da)家(jia)，大(da)家(jia)知(zhi)道(dao)後(hou)直(zhi)接(jie)用(yong)這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)就(jiu)好(hao)了(le)，但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)你(ni)忘(wang)記(ji)了(le)或(huo)者(zhe)沒(mei)見(jian)過(guo)這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)是(shi)不(bu)是(shi)就(jiu)無(wu)從(cong)下(xia)手(shou)了(le)！所謂知其然也要知其所以然，隻有知道了防毛刺的時鍾切換電路設計思路才能夠融會貫通！

這zhe裏li從cong一yi個ge角jiao度du，通tong過guo電dian路lu設she計ji技ji巧qiao來lai闡chan述shu防fang毛mao刺ci時shi鍾zhong切qie換huan電dian路lu的de設she計ji思si路lu。希xi望wang看kan過guo之zhi後hou，不bu用yong參can考kao文wen章zhang就jiu能neng夠gou自zi己ji設she計ji出chu這zhe個ge電dian路lu。

對於一個時鍾切換電路，輸入兩個異步時鍾clk0、clk1，以及一個選擇信號sel。

(1) 假設不考慮glitch，直接使用Mux就可以完成切頻。電路如下：

由於clk0/clk1/sel之間是異步關係，時鍾切換會發生在任意時刻，有一定的概率會發生glitch. glitch的危害文章裏已經詳述，這裏不再重複。

(2) 由於sel和clk0和clk1都是不同步的，我們可以從sel同步的方向入手，假如sel需要和clk0和clk1進行同步，那麼sel必須分成兩路，一個和clk0同步，一個和clk1同步，同步之後的sel訊號再和clk0/clk1 gating起來，就可以讓問題簡單化。為了將sel分成兩路，並且clk0/clk1需要分別gating, 那麼可以將mux邏輯用and/or設計出來，如下：

當然此Mux電路還可以用兩個or加上一個and來實現，都可以。注意G0和G1兩點就是分別對clk0和clk1進行gating. 將來會在G0/G1點插入同步DFF.

(3) 將上麵電路拆開成兩部分，一部分電路通過sel產生sel+和sel-兩路，另一部分電路是gating mux電路, 如下：

對於一個時鍾切換電路，輸入兩個異步時鍾clk0、clk1，以及一個選擇信號sel。

(1) 假設不考慮glitch，直接使用Mux就可以完成切頻。電路如下：

隻需要將sel-接上G0, sel+接上G1就是一個mux電路。將電路分開，是為了後續技巧性的功能替換。

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(4) 將part0電路換成同樣功能的帶反饋的組合電路(為何要這樣做，屬於電路設計直覺和技巧)。最常見帶反饋的電路是RS觸發器，因此可以將part0換成如下電路。

part0換成如下電路

(5) 將part0_a或者part0_b替換part0電路，功能不變。如下：

(5) 將part0_a或者part0_b替換part0電路

不過，此時插入同步DFF的地方就多了一個選擇，如果直接在G0, G1插入同步DFF, clk0和clk1的gating時間先後順序不確定，還是有可能發生毛刺。而在s0和s1處插入同步DFF, 正好利用反饋，讓時鍾切換按照安全的順序進行：

(1) 先gating住之前選擇的時鍾

(2) 然後再放開將要選擇的時鍾

在(1)和(2)之間，輸出時鍾一直都是無效狀態（對於2and + 1or的mux來說，無效狀態就是0)

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(6) 按照上麵的分析，得到電路如下：

注意幾點：

(1) 對s0插入的DFF需要用clk0作為時鍾, 對於s1插入的DFF需要用clk1作為時鍾。

(2) 後一級的DFF必須使用clock下降沿，因為是用AND門進行gating(如果用上升沿，則更容易出現毛刺)。如果換成2個OR+1個AND的MUX, 則必須用上升沿。

(3) 必須插入兩級DFF防止metal stable, 前一級可以用上升沿，也可以用下降沿，用上升沿是為了節省時間。

(4) 所有的DFF 複位值都是0，即讓clk_out處於無效狀態。

(5) 必須滿足先gating後放開的順序，如果不滿足，可以在G0/G1處各插入一個反相器。(用part0_b搭配part1的時候需要插入反相器，如下圖)

反相器

(6)搭配不同的part0電路和part1電路，經過稍許修改，都可以完成防毛刺切頻電路的設計。

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