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。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：
ＴＨ ＜ τＣＬ ＜ ＴＰ （１）
（１）式表明，信号通过ＣＬ的每一个延迟都必须介于ＴＨ和ＴＰ之间。正是这种双边约束特性使单相时钟难以实现。对于多相时钟，则可以消除这种双边约束，而使其转化为单边约束。图２（ａ）所示为采用两相非重叠时钟Φ１和Φ２（Φ１×Φ２＝０），对应时钟波形示于图２（ｂ），Ｔ１和Ｔ３分别是Φ１和Φ２为高电平时的时间，Ｔ２是Φ１到Φ２之间电平为低的时间，Ｔ４则是Φ２到Φ１之间电平为低的时间。当Φ２电平变高时信号开始通过ＣＬ传输，并且必须在Φ１电平变低之前结束。于是得：
τＣＬ＜Ｔ１＋Ｔ３＋Ｔ４ 或 τＣＬ＜Ｔｐ－Ｔ２ （２）
其中，Ｔｐ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４
图4 二分频电路及时钟驱动器
这样就可把双边约束（１）式简化为单边约束（２）式了。无论是有效信号或是无效信号，都可以以任意快的速度通过ＣＬ而不会造成竞争。
当然，相数过多又会使设计复杂度提高，因此这里选择了两相不重叠时钟。
３ 时钟系统逻辑电路设计
３．１ 两相不重叠时钟产生的方法
两相不重叠时钟产生电路如图３所示。ｃｌｋ为外部晶振产生的送入ＭＣＵ的单相时钟，Ｉ１是ＭＣＵ内部产生的保护信号，正常工作时Ｉ１为低电平，发生故障时?如由于噪声干扰导致ＰＳＥＮ和ＲＤ、ＷＲ同时有效的错误发生时?Ｉ１变成高电平而关闭时钟；当系统复位时，会使得图３中Ｉ１为低电平，恢复ｃｌｋ的输入。由于正常情况下ＰＤ为低电平，所以ｃｌｋ等同于经过三个非门变成图中的单相输入信号，加到用“或非”门交叉而构成的Ｒ－Ｓ触发器，单相时钟从左边加到一个“或非”门上，反相后加到另一个“或非”门上，这样得到的ＣＫ１和ＣＫ２
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