同步电路设计中clock skew的分析

一.同步电路的组成

 

1.组合逻辑电路：用来实现各种逻辑计算

 

2.时序逻辑电路：用来存储由时序电路计算得到的逻辑值

 

3.时钟分布网络：向整个电路中的时序逻辑提供正确的时钟信号

 

二.clock skew问题的提出

 

1.clock skew的产生

 

延时与时钟线的长度及被时钟线驱动的时序单元的负载电容、个数有关

 

由于时钟线长度及负载不同，导致时钟信号到达相邻两个时序单元的时间不同

 

于是产生所谓的clock skew

 

2.有关的概念

 

 Setup Time(Ts):建立时间

 即要求数据端信号在时钟信号触发沿到来之前到达的最小时间

 

 Hold Time(Th): 保持时间

 即要求在时钟信号触发沿到来之后，数据端信号仍然维持的最小时间

 

 Dcq: 时钟端到触发器输出端Q的延时

 

三.对同步电路中clock skew的分析

 

设 Dp: 组合逻辑电路部分的延时

 

   Tcp:时钟周期

 

   TC1:时钟信号沿时钟树到达寄存器R1的延迟时间

 

   TC2:时钟信号沿时钟树到达寄存器R2的延迟时间

 

 (1) 第K个时钟周期的时钟信号到达R1的时间为KTcp+TC1

   

     第K+1个时钟周期的时钟信号到达R2的时间为(K+1)*Tcp+Tc2

 

     第K个时钟周期数据信号经R1锁存后到达R2数据端的时间为K*Tcp+Tc1+Dcq+Dp

 

     考虑到建立时间（Ts）的要求

 

     这个时间应比第K+1个时钟周期的时钟信号到达R2的时间提前Ts

 

     所以有下式：K*Tcp+Tc1+Dcq+Dp<=(K+1)*Tcp+Tc2-Ts

 

     整理得：Tskew<=Tcp-Dcp-Dp-Ts (1)

 

 (2) 考虑到保持时间（Th）的要求

   

     第K个时钟周期数据信号经R1锁存后到达R2数据端的时间

 

     应比第K个时钟信号到达R2的时间晚Th

 

     有下式：K*Tcp+Tc1+Dcp+Dp>=K*Tcp+Tc2+Ts

 

     整理得：Tskew>=Th-Dcp-Dp (2)

 

 要使电路正常运行，相邻两个触发器之间的CLOCK SKEW必须满足(1)(2)两式

 

 当式(1)不满足时，称发生了setup violation

 

 当式(2)不满足时，称发生了hold violation

 

 当发生了setup violation时可以通过延长时钟周期，即降低系统频率来解决

 

 而当发生了hold violation时，电路一定无法正确工作

 

 因此hold violation是一定要避免的

 

四.对clock skew的优化方法

 

 插入时钟树时设法使时钟信号同时到达芯片上所有触发器，

 

 虽然可以保证整个电路正确工作，但却不一定使电路工作在最优性能下

 

 针对具体的路径延时，特别是关键路径的延时

 

 合理地调整时钟信号到达各个触发器（或锁存器）的时序

 

 也就是合理调整CLOCK SKEW

 

 可以大幅度提高电路的工作频率