【数字IC手撕代码】Verilog无毛刺时钟切换电路|题目|原理|设计|仿真

一、前言

本系列旨在提供100%准确的数字IC设计/验证手撕代码环节的题目，原理，RTL设计，Testbench和参考仿真波形，每篇文章的内容都经过仿真核对。快速导航链接如下：

1.奇数分频
2.偶数分频
3.半整数分批
4.小数/分数分频
5.序列检测器
6.模三检测器
7.饮料机
8.异步复位，同步释放
9.边沿检测（上升沿，下降沿，双边沿)
10.全加器，半加器
11.格雷码转二进制
12.单bit跨时钟域（打两拍，边沿同步，脉冲同步）
13.奇偶校验
14.伪随机数生成器[线性反馈移位寄存器]
15.同步FIFO
16.无毛刺时钟切换电路

应当说，手撕代码环节是面试流程中既重要又简单的一个环节，跟软件类的岗位相比起来，数字IC的手撕代码题目固定，数量有限，属于整个面试中必得分的一个环节，在这个系列以外，笔者同样推荐数字IC求职者使用“HdlBits”进行代码的训练
链接如下
HDLBits — Verilog Practice

二、题目

为了SOC设计的低功耗性，多时钟域的划分是常用手段之一，有两个时钟，A为50Mhz，B为100Mhz，请设计无毛刺时钟切换电路，根据控制信号control，输出所需时钟信号。

三、原理

3.1 有毛刺时钟切换

想要切换时钟电路，最简单的方法肯定是使用一个MUX，control作为控制信号
control=1,clk_output = clk_50M,
control=0,clk_output =clk_100M,

但是这种做法会存在毛刺问题，如图所示，当control信号转换的边缘时，假如clk_50M与clk_100M的边沿没对准，就有可能出现毛刺，影响时钟质量

因此我们需要无毛刺时钟切换电路的帮助，进入下一节

3.2 无毛刺时钟切换

首先我们需要明确的是，毛刺发生的原因

control信号至少对一个时钟信号为异步信号，导致了毛刺的出现，假如control，clk_50M,还是clk_100M都是边沿完全同步的理想信号话，应该是不会出现毛刺的。

所以避免毛刺发生的方法顺理成章地过渡到了“异步信号同步化”这个理论上面，如何做同步呢？

毫无疑问，肯定是需要打拍/采样的方式

上升沿同步还是下降沿同步呢？

这里是上升沿打拍还是下降沿打拍其实是因电路而异的一个问题，我们假如希望最终用与门处理时钟信号和控制信号
即：当control信号为1时，按照时钟输出，control信号为0，输出为0（即相与逻辑）
没有电路会是完全理想的边沿完全同步的信号
假如是上升沿同步control信号，同步的control会比clk的边沿稍微慢一点点，二者相与，肯定会出现毛刺
假如是下降沿同步control有效信号，下降沿到来时，control被同步后为1，clk此时为0，二者相与为0，上升沿到来时，control保持，clk为1，二者相与为1，无毛刺出现，所以用与逻辑的时候，需要采用下降沿去做触发。

只打一拍，够吗？

不够，若control信号的改变恰好在采样边沿，会存在出现亚稳态的风险,所以我们可以打两拍。第一拍可以采用上升沿，第二拍可以采用下降沿。

那只打拍，够吗？

不够，为什么不够呢？
因为只打拍，只能保证各自的控制信号是同步的,无毛刺，但是不能保证切换不产生毛刺，所以我们还需要增加电路来处理切换的过程，假如我们可以在切换的时候排除相邻时钟的影响，是不是就可以完美确保无毛刺的出现了？

所以以下这张图片可以登场了

1. control信号无论是从上面通过还是从下面通过，都经过两级采样，避免了亚稳态的出现
2. 后一级的DFF用下降沿采样，避免了采样毛刺的出现
3. 第二级DFF的not Q的逻辑以负反馈的形式接回了输入，取了与逻辑，构建起50M时钟和100M时钟的关系，代表着切换前时钟等待一阵子后，才会转换到切换后时钟，避免了切换毛刺的出现
4. 最终上面的电路和下面的电路，以或的逻辑相取，输出clk_output.

四、RTL设计

module free_glitch(clk_50M,clk_100M,control,rst_n,clk_output);
input clk_50M; // clock with 50M frequency
input clk_100M; // clock with 100M frequency
input control; // control signal
input rst_n; // reset signal
output clk_output; // output clock

reg clk_50_r1; // register for 50M clock
reg clk_50_r2;
reg clk_100_r1;// register for 100M clock
reg clk_100_r2;

wire logic_50_ctl; // logic "and" before DFF_r1 for 50M clock
wire logic_100_ctl; // logic "and" before DFF_r2 for 100M clock

assign logic_50_ctl  =  control & !clk_100_r2; // generate logic
assign logic_100_ctl = !control & !clk_50_r2; // generate logic


always@(posedge clk_50M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		clk_50_r1 <= 1'b0;
	else
		clk_50_r1 <= logic_50_ctl;
		
always@(negedge clk_50M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		clk_50_r2 <= 1'b0;
	else
		clk_50_r2 <= clk_50_r1;

always@(posedge clk_100M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		clk_100_r1 <= 1'b0;
	else		
		clk_100_r1 <= logic_100_ctl;


		
always@(negedge clk_100M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		clk_100_r2 <= 1'b0;
	else
		clk_100_r2 <= clk_100_r1;

assign clk_output = (clk_100_r2&clk_100M) | (clk_50_r2&clk_50M ); // generate final signal clock output

endmodule
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五、仿真

`timescale 1ns / 1ps
module free_glitch_tb();
reg clk_50M;
reg clk_100M;
reg control;
reg rst_n;
wire clk_output;

free_glitch u1(clk_50M,clk_100M,control,rst_n,clk_output);

always #5 clk_100M = !clk_100M;
always #10 clk_50M = !clk_50M;

initial
begin
clk_100M = 0;
clk_50M = 1;
rst_n = 1;
control = 1;
#100
rst_n = 0;
#50
rst_n = 1;
#100
control =0;
#100
control =1;
#128
control = 0;

end


endmodule
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六、仿真分析

我们可以发现，当control变化后，有一段时间的延时，时钟信号才切换至目标的时钟处，就是这段延时的出现，确保了没有毛刺的出现，设计符合需求