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一種MCU時鐘系統(tǒng)的設(shè)計

時間:2023-05-01 09:04:37 計算機論文 我要投稿
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一種MCU時鐘系統(tǒng)的設(shè)計

摘要:介紹了一個基于MCU內(nèi)核的時鐘系統(tǒng)的設(shè)計,給出了其電路結(jié)構(gòu)并詳細地分析了系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)能生成兩相不重疊時鐘,利用靜態(tài)鎖存器保存動態(tài)信息,提供三種電源管理方式以適應(yīng)低功耗應(yīng)用。在上華(CSMC)0.6μm工藝庫下,利用Cadence EDA工具對電路進行了仿真,仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

    關(guān)鍵詞:微控制器 時鐘系統(tǒng) 兩相不重疊時鐘

時鐘系統(tǒng)是微控制器(MCU)的一個重要部分,它產(chǎn)生的時鐘信號要貫穿整個芯片。時鐘系統(tǒng)設(shè)計得好壞關(guān)系到芯片能否正常工作。在工作頻率較低的情況下,時鐘系統(tǒng)可以通過綜合產(chǎn)生,即用Verilog/VHDL語言描述電路,并用EDA工具進行綜合。然而,用工具綜合存在電路性能低、優(yōu)化率不高的問題,不適合應(yīng)用在各種高性能微處理器芯片上。而采用人工設(shè)計邏輯并手工輸入電路圖甚至物理版圖的方式,能使設(shè)計的電路靈活,性能更好。基于這些考慮,設(shè)計了一個MCU時鐘系統(tǒng)。

1 基本時鐘輸入的選擇

CPU核分微處理器(MPU)和微控制器(MCU),兩者的基本時鐘一般都以單頻方波的形式提供。時鐘有三種產(chǎn)生方式:

(1)用晶體振蕩器產(chǎn)生精確而穩(wěn)定的時鐘信號;

(2)用壓控振蕩器產(chǎn)生可調(diào)頻率范圍較寬的時鐘信號;

(3)結(jié)合以上兩種技術(shù),用壓控振蕩器生成時鐘信號。

基本時鐘信號的產(chǎn)生可以有芯片外和芯片內(nèi)兩種方法。但是時鐘信號必須是穩(wěn)定的信號,對于穩(wěn)定度要求特別高的場合(如MPU和MCU),采用芯片外提供是必不可少的。故本設(shè)計采用外接晶振的方法。

2 兩相時鐘方案

時鐘技術(shù)是決定和影響電路功耗的主要因素,時鐘偏差是引起電路競爭冒險的主要原因。為了消除競爭、提高頻率、降低功耗,在基本時鐘方案方面,MPU和MCU一般有三種選擇:單相時鐘、多相時鐘和沿觸發(fā)方案。在當(dāng)前的設(shè)計中,沿觸發(fā)方案由于在數(shù)據(jù)傳遞方面有一定困難已很少被使用。單相時鐘方案因為在時序和傳輸上比較簡單可靠,在所有的方案中使用的晶體管也是最少,所以被一些高性能芯片使用,如DEC公司?現(xiàn)被HP公司并購?的Alpha21664微處理器。但是,對CMOS電路來說,采用單相時鐘就無法使用動態(tài)電路,而且因組合邏輯塊中邏輯元件的速度高低都受到限制而呈現(xiàn)困難。

圖1是一個單相有限狀態(tài)機,圓圈內(nèi)為組合邏輯塊CL。

    設(shè)TL+TH=TP,其中TP為時鐘周期,TH和TL分別為時鐘高電平和低電平時間。如果要使時鐘定時與數(shù)據(jù)無關(guān),則最長的傳播延遲必須小于TP,信號(甚至可能是由于內(nèi)部競爭冒險產(chǎn)生的尖峰所造成的假信號)到達CL輸出端可能取的最短時間必須大于TH。令τCL代表CL延遲范圍,則:

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