使用普通的多路復用器進行切換時鐘會發生什么？

在現代芯片中，芯片運行時有必要在兩個不同的時鐘之間切換。如果我們使用普通的多路復用器進行切換時鐘會發生什么？多路復用器有一個名為 SELECT 的控制信號，該信號在設置為“零”時將 CLK1 傳播到輸出，或者在設置為“1”時將 CLK2 傳播到輸出。當 SELECT 值更改時，由于輸出從當前時鐘源立即切換到下一個時鐘源，可能會引起毛刺。

圖1普通多路復用器

verilog代碼：

module clk_select1(
input                                   clk1,
input                                   clk2,
input                                   rst_n,
input                                   sel,
output                                  out_clk 
);
assign out_clk = sel?clk2:clk1;
endmodule

圖2時鐘切換的正常多路復用器實現的波形（有毛刺）

假如時鐘由 clk1 切換到 clk2，且切換時刻為 clk1 輸出電平為高的時候，此時立即切換時鐘就會導致輸出時鐘出現毛刺（glitch）。在兩個時鐘電平相反的時候切換時鐘，肯定有毛刺；電平相同的時候，即使不產生毛刺，時鐘切換后的第一個時鐘的周期或占空比也不是理想的。所以，為避免毛刺的產生，需要在兩個時鐘都為低電平的時候進行時鐘切換。

時鐘切換方案的設計思路

1.先關斷當前選擇的時鐘，再新選擇的時鐘；

2.在時鐘為低電平的時鐘進行時鐘切換；

一種典型的時鐘切換電路如下所示。其中左邊部分存在一個 互鎖結構 ，與SR鎖存器結構類似，不同之處是中間嵌入了2個下降沿觸發器，這個設計非常巧妙。 互鎖電路保證了當輸出穩定后，其兩端的輸出值是互斥的 。插入dff后，電路有了記憶功能， 將互鎖的邏輯用下降沿DFF抓一拍后反饋給另一側，即使當目前select發現變化，只要當前選擇的時鐘下降沿沒有到來時，不會切換時鐘，只有當select發生變化，且當前選擇的時鐘下降沿到來后，關閉當前選擇的時鐘系統，等到另一個時鐘系統下降沿到來時，切換至另一個時鐘系統，完成時鐘無毛刺切換 ，具體如下：

1. 當select穩定值為0時，此時系統選擇的是clk1時鐘，i_and1=1，flop1_o=1；i_and2=0，flop2_o=0；
2. 當selec由0向1進行變化時，i_and1輸出變為0，但是在clk1下降沿到來前，flop1_0會穩定輸出為1，因此i_and2仍然輸出0，flop2_o保持為0，此時選擇的是clk1時鐘；
3. 當clk1下降沿到來時，flop1_0輸出變為0，關閉clk1，i_and2的輸出會變為1，在clk2下降沿到來前，flop2_o保持為0，此時系統輸出低電平；
4. 當clk2下降沿到來時，flop2_0輸出變為1，打開clk2，此時系統選擇的時clk2時鐘；

圖3無毛刺時鐘多路復用器

verilog代碼：

module clk_select2(


input                                   clk1,
input                                   clk2,
input                                   rst_n,
input                                   sel,
output                                  out_clk 
);


reg ff1;
reg ff2;


always @(negedge clk1 or negedge rst_n) begin   
    if(!rst_n) 
        ff1 <= 1'b0;    
       else begin
        ff1 <= ~ff2 & !sel;
      end
    end
always @(negedge clk2 or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        ff2 <= 1'b0;    
    else begin
        ff2 <= ~ff1 & sel;
      end
    end


assign out_clk = (ff1 & clk1) | (ff2 & clk2); 


endmodule

考慮到選擇信號有可能是異步信號，需要在時鐘選擇信號的緩存觸發器之前加兩級觸發器進行同步處理，來減少亞穩態的傳播，結構圖如下。該時鐘切換電路更具有普遍性。

圖4無毛刺時鐘多路復用器（使用雙同步器）

verilog代碼：

module clk_select3(


input                                   clk1,
input                                   clk2,
input                                   rst_n,
input                                   sel,
output                                  out_clk 
);


reg ff1,ff1_d;
reg ff2,ff2_d;


always @(negedge clk1 or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)  
        {ff1,ff1_d} <= 2'b00;
    else begin
        ff1_d <= ~ff2 & !sel;
        ff1 <= ff1_d;
      end
    end
always @(negedge clk2 or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) {ff2,ff2_d} <= 2'b00;    
    else begin
        ff2_d <= ~ff1 & sel;
        ff2 <= ff2_d;        
      end
    end


assign out_clk = (ff1 & clk1) | (ff2 & clk2); 




endmodule