时钟分频器

Posted on 2014-10-13 22:26 in IC

在时钟设计中提到过：

Guideline： 尽量避免使用分频时钟

如果要进行分频，可以使用 PLL/DLL 来实现，但是对于时钟要求不高的基本设计，通过语言进行时钟的分频相移仍然非常流行，首先这种方法可以节省芯片内部的锁相环资源，再者，消耗不多的逻辑单元就可以达到对时钟操作的目的。另一方面，通过语言设计进行时钟分频，可以看出设计者对设计语言的理解程度。

如果一定要使用分频时钟：

对于资源比较丰富的 FPGA

使用内部提供的 PLL/DLL，输出时钟信号可以配置成不同的频率（倍频 / 分频）和相位，这样的分频时钟是最稳定的。
对于无法使用 PLL/DLL 的 FPGA

对于这些情况，首先检查是否可以用 CE (clock enable) 来代替分频时钟，如果不行，则使用下面讨论的分频方法。

Counter

时钟分频一般都是通过计数器 counter 来实现的，计数器是分频的基础。

计数器可以分为很多种，Counter on wiki，这里不再跑题展开了，关于计数器的讨论见：Counter in FPGAs

Clock divider

even clock divider

偶数分频是最简单的情况，使用计数器就可以完成。比如，产生一个分频系数为 N（偶数）的 50% 占空比的分频器一般有两种方法：

计数器计数到 (N/2-1) 时，将输出翻转，同时将计数器复位到 0，重新开始计数
计数器从 0 计数到 (N/2-1) 时，输出 1/0，从 N/2 计数到 (N-1) 时，输出 0/1

方案一只能实现固定的 50% 占空比，方案二则可以实现可以有限调整占空比。

odd clock divider

如果对占空比没有要求，那么使用和偶数分频类似的方法，一个计数器就可以解决；如果要求占空比是 50%，则可以使用以下的方法：

The Art of Hardware Architecture:

Conceptually, the easiest way to create an odd divider with a 50% duty cycle is to generate two clocks at half the desired output frequency with a quadrature-phase relationship (constant 90° phase difference between the two clocks).

The output frequency can then be generated by exclusive-ORing the two waveforms together.

Steps

创建 ref-clk 上升沿触发的 0 ~ (N - 1) 的计数器 cnt（N 为奇数）
使用两个 T flip-flop，分别产生各自的 enable
- tff1-en: 当 cnt = 0 时，使能
- tff2-en: 当 cnt = (N + 1) / 2 时，使能
产生以下信号
- div1：在 ref-clk 上升沿 触发 tff1
- div2：在 ref-clk 下降沿 触发 tff2
异或 div1 和 div2，得到输出 clk-out

在 The Art 中，举例介绍了 3 分频的情况：

Schematic:

Timing:

half integer clock divider

这种分频系数为 (N+1/2)，应该归类到小数分频中，但是因为它的小数部分是特殊的 1/2，所以可以在前面的讨论的基础上得到。

The Art 中分类讨论了半整数分频：

50% Duty Cycle

以 1.5 分频为例，

Schematic:

Timing:

这种方法在仿真的时候是没有问题的，但是综合时可能会产生致命的问题：在切换时钟时，如果两路时钟信号的时延不相等，那么切换的时候就会产生毛刺。

(Xilinx 提供的原语 BUFGMUX 有去除切换时钟时候的毛刺的功能，但是它只适用于全局时钟网络 )

Non 50% Duty Cycle

如果占空比不是 50%，则可以通过以下的方法得到：

从

N + 1/2 = (2N + 1) / 2

可知，N+1/2 分频也就是要求在 (2N+1) 个时钟周期内产生两个脉冲即可，这两个脉冲必须是等间隔分布的。

首先，可以采用长度为 (2N+1) 的移位寄存器，这些寄存器中只有一个是 1，其他都是 0，然后在时钟的驱动下循环移位，则就有了 (2N+1) 个时钟周期的计数。

其次，两个脉冲可以从这个移位寄存器中选取两个作为输出，但是不能简单地直接使用，因为无论怎样选择，这两个脉冲都不是等间隔分布的（一共 2N+1 个计数，抽取 2 个，剩余 2N-1 个计数，那么 2N-1 是个奇数，无法平分为两部分，所以不是等间隔的）。所以难点就在于如何得到两个等间隔的分布。The Art 的解决方法如下，以 4.5 分频为例：

Timing: