（电路与系统专业论文）面向音视频解码的soc平台设计.pdf

摘要 摘要 随着集成电路制造： 艺特征尺寸的不断变小，芯片的集成度呈指数增长。为 降低产品成本，设计者在芯片上集成包括处理器、存储器、特殊功能模块、以及模 拟器件等几乎所有的系统功能，这种高度集成的系统级芯片称为片卜- 系统( s o c ) 。 s o c 设计的高难度、高成本使设计者都面临这样的挑战：怎样在更小芯片尺寸上， 以更低的功耗、更短的时间设计出功能更强大的芯片。然而，芯片的设计能力无法 跟上以摩尔定律进步的生产工艺，设计能力和生成能力之间存在的差异称为设计鸿 沟( d e s i g ng a p ) ，这种状况推动设计者寻求更好的片上系统设计方法。本文的主要 包括3 方面内容：集成电路设计方法学、s o c 设计平台的开发及其在多媒体处理上 的应用。 可重用设计和面向应用的设计是两种最重要的s o c 设计方法。片上系统集成 数月众多的功能模块，使用已有的、经过验证的i p 模块能有效的控制设计成本、 缩短漫计周期并提高设计质量。可重用设计方法贯穿s o c 从没计规范制订到：占片 流片整个设计过程，可重用设计原则保证i p 模块在s o c 设计中被有效重用，是复 杂s o c 需要遵守的设计原则。s o c 与特定应用领域密切相关，是更高层次的 a s i c 。面向系统的设计强调快速系统建模和软硬件协同仿真，从而进行体系结 构探索和优化，保证设计收敛。 s o c 系统中的i p 根据与应用的相关性可分成通用部分和专用部分，基于平台 的设计将通用部分组成设计平台，为该平台扩展应用相关部分构成目标系统。基于 平台的设计是一种i p 复用策略，仅通过为平台添加几个专用i p 组件就能快速实现 设计，最大程度减小验证的不确定性，降低了设计成本和风险。通用部分包括处理 器、通用接口、以及片上互连等。本文描述了s o c 没计平台的核心部件，包括 c k 5 1 0r i s c 处理器和s p o c kd s p 处理器的体系结构，并提出了种高性能的片上互 连方式x r a i l 多通道总线和x r i n g 片e 通信网络。 多媒体应用已成为当前最热门的研究领域之一，高清电视、卫星通讯、以及 手持式设备等都包含丰富的多媒体处理技术。论文描述了两个面向多媒体处理的 s o c 设计平台，其中g e m i n i 双核平台主要面向音频处理，在该平台上实现了 o g g v o r b i s 解码器；m s s o c 平台是面向多媒体处理的s o c 平台，它采用x r a l l 和 x r i n g 片上互连方式，能将在芯片上集成多个功能子系统，本文描述的示例系统 包括h 2 6 4 解码子系统、视频显示子系统等功能结点，能实现视频回放。 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt om o o r e sl a w ，t h ef e a t u r es i z eo fm o d e r nt e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e dc i r c u i t i s e v e rs h r i n k i n ga n dt h en u m h e ro ft r a n s i s t o r sc a nb ei n t e g r a t e di ns i n g l ec h i p i sg r o w i n g e x p o n e n t i a l l y t o r e d u c et o t a lc o s to fp r o d u c t ，c h i pd e s i g n e ri n t e g r a t e sa l m o s t a l lt h e c o m p o n e n t si n c l u d i n gp r o c e s s o r s ，m e m o r i e s ，s p e c i a lf u n c t i o nu n i t s ，a n da n a l o gd e v i c e s i n t o s i n g l ec h i p ，t h i sh i g h l yi n t e g r a t e di ci sc a l l e ds y s t e m o n c h i p ( s o c ) t h ec o m p l e x i t yo fs o c m a k et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ec o s tg r o wd r a m a t i c a l l y c h i pd e s i g n e r sa r ef a c i n gw i t ht h e c h a l l e n g eo fh o wt od e s i g nm o r ep o w e r f u lc h i p sw h i c ha r es m a l l e ri ns i z e ，l o w e r i np o w e r c o n s u m p t i o ni nas h o r t e rt i m e a st h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e dc i r c u i tp r o g r e s s e s a sm o o r e sl a w ，t h ec h i pd e s i g np r o d u c t i v i t yc a nn o tk e e pu pw i t hi t t h ec a p a b i l i t yd i f f e r e n c e b e t w e e ni cd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei sc a l l e dd e s i g n - g a p ，w h i c hp r o m o t e st h ed e s i g n e r st os e e k b e t t e rs o cd e s i g n m e t h o d o l o g y t h e m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d es o cd e s i g n m e t h o d o l o g y ，s o cd e v e l o p m e n tp l a t f o r m sa n dt h e i rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s d e s i g nr e u s ea n da p p l i c a t i o ns p e c i f i cd e s i g na r et w oo ft h em o s ti m p o r t a n ts o cd e s i g n m e t h o d o l o g i e s s o ci n t e g r a t e sal a r g en u m b e ro ff u n c t i o n a lu n i t s ，t h eu s eo fe x i s t i n g ，p r o v e n i p sc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o ld e s i g nc o s t s ，s h o r t e rd e s i g nc y c l ea n dg u a r a n t e eh i g hd e s i g nq u a l i t y d e s i g nr e u s ec o v e r st h ew h o l es o cd e s i g nf l o wf r o mt h es p e c i f i c a t i o nc o n s t i t u t i o nt ot h ef i n a l t a p e o u t ，e n s u r i n gt h ee f f e c t i v eu s eo ff u n c t i o ni p so rv e r i f i c a t i o ni p s s o ci sah i g h e rl e v e lo f a s i c ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt os p e c i f i ca p p l i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o ns p e c i f i cd e s i g n e m p h a s i z e st h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb yu s i n gr a p i ds y s t e mp r o t o t y p et oe x p l o r a t i o nt h e d e s i g ns p a c ea n do p t i m i z et h ea r c h i t e c t u r e ，a n db yu s i n gs o f t w a r e h a r d w a r e c o 。d e s i g nt o e n s u r et h ed e s i g nc o n v e r g e n c e t h ei p si nas o cc a nb ec l a s s e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，s o m ea r ea p p l i c a t i o nd e p e n d e n t c o m p o n e n t sa n dt h eo t h e r s a r e g e n e r i cc o m p o n e n t s p l a t f o r m b a s e dd e s i g nc o n s t r u c ta c o m m o np l a t f o r mu s i n gt h eg e n e r i cc o m p o n e n t sf i r s t ，b u i l d i n gt h et a r g e ts y s t e mb ya d d i n g a p p l i c a t i o ns p e c i f i cc o m p o n e n t st ot h ep r e d e f i n e dp l a t f o r m p l a t f o r m b a s e dd e s i g n i sa ni p r e u s es t r a t e g yt oa c h i e v er a p i dd e s i g na n dv e r i f i c a t i o na n dt or e d u c et h ed e s i g nu n c e r t a i n t y a n dc o s t s ap l a t f o r m u s u a l l y i n c l u d e sp r o c e s s o r s ，c o m m o np e r i p h e r a l s a n do nc h i p i n t e r c o n n e c t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o r ec o m p o n e n t so fs o cp l a t f o r m ，i n c l u d i n gs p o c k d s pc o r e ，c k 510r i s cp r o c e s s o ra n dt w oh i g hp e r f o r m a n c eo n c h i pi n t e r c o n n e c t i o nx r a i l m u l t i c h a n n e lb u sa n dx r i n go nc h i pi n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k m u l t i m e d i ap r o c e s s i n gh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha r e a ，t h ea p p l i c a t i o n s i n c l u d eh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa n dh a n d h e l de q u i p m e n t sa n de t c t h i sp a p e rd e s c r i b e st w om u l t i m e d i ao r i e n t e ds o cp l a t f o r m s ，g e m i n ia n dm s s o c g e m i n i d u a lc o r ep l a t f o r mi so r i e n t e dt oa u d i op r o c e s s i n g ，o g g v o r b i sd e c o d e rd e m oi sd e v e l o p m e n t o nt h ep l a t f o r m m s s o ci sas c a l a b l em u l t i s u b s y s t e mp l a t f o r mw h i c hu s i n gx r i n ga n d x r a i la st h eo nc h i pi n t e r c o n n e c t i o n ，i ti n t e g r a t e sm u l t i p l ep r o c e s s i n gs u b s y s t e mt op e r f o r m t h es y s t e mf u n c t i o n a l i t y t h ep r o p o s e dm s s o ci n c l u d e sah 2 6 4d e c o d e rn o d e ，av i d e od i s p l a y n o d ea n dc o n t r o ln o d et op e r f o r mh 2 6 4p l a y b a c k 第l 章绪论 第1 章绪论 1 课题背景 集成电路伴随着信息科技革命浪潮被发明和广泛使用，到现在，集成电路已经 深入到人们生活的方方面面，应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有电子设备，可 以说集成电路是计算机、数字家电、通信等应用领域的核心器件。集成电路的技术 进步遵循“摩尔定律”，如通用处理器的运行速度和芯片集成度平均每两年提高1 倍，巨额的研发和生产投入、持续快节奏的技术创新决定了集成电路产业的高投 入、高风险、高收益和高度国际化等特征。 数字集成电路可以分为通用型和专用型两大类，专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ：a s i c ) 只有特定的使用领域，如使用在手机终端 上的手机信道处理芯片；通用集成电路具有广泛的使用范围，如7 4 0 0 和4 0 0 0 系列集 成电路可以作为基本单元在各种领域中使用。随着集成电路生产工艺的进步和e d a 设计工具的使用和发展，当代复杂的a s i c 芯片中集成高性能处理器、s r a m 、f l a s h 等计算存储器件及其他功能模块，完成应用系统中的大部分功能，这种高度集成 的a s i c 被称为s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 。 当前集成电路工艺特征尺寸进入超深亚微米，其设计难度和生产成本随着特征 尺寸缩小急剧增加。其中设计难度主要体现在4 个方面 1 ： 1 )深亚微米的影响在超深亚微米工艺下( 自主设计的处理器 嵌入式处理器核是s o c 的关键组成部分，系统中通常包含一个或多个处理器， 如面向通用控制的r i s c 处理器和处理密集计算任务的d s p 处理器。本文第二章介 绍自主设计的c k 5 1 0 嵌入式处理器核和s p o c kd s p 处理器核。 c k c o r e 是自主设计的低功耗嵌入式3 2 位处理器，它采用r i s c 构架设计，具 有7 级流水线，具备分离的指令缓存和数据缓存，支持转移预测和快速中断。c k c o r e 采用可配置和可扩展设计方法，指令数据缓存大小，b i u 总线接口类型，以 及m m u 等模块可以根据应用要求灵活配置；c k c o r e 能够在基础指令集上增加新 指令来扩展处理器功能，如增加m a c 协处理器、f l o a t i n gp o i n t 协处理器等来加速 处理器对应用中的特定处理能力。c k c o r e 支持超级用户模式，操作系统在超级用 户模式下完成中断处理等任务，用户程序运行于普通用户模式下。超级用户模式和 普通用户模式可以使用不同的寄存器堆，来避免任务切换时备份寄存器的开销，从 而能够降低中断响应时间，提高处理器的实时性。 s p o o k 是一个3 2 位指令、1 6 位数据、r i s c 结构的d s p 处理器，它具备一个 a l u ，一个1 6 位m a c ，和一个v l x 执行单元。s p o c k 能用于音频处理，或在视 频处理中进行熵编解码加速。s p o c k 支持多种d s p 常见的寻址方式，如循环缓 冲、比特反转等来加速f f t 、f i r 等d s p 算法的操作数存取；s p o e k 支持支持两级 零开销的硬件循环，指令条件执行来降低由跳转指令引起的流水线重装带来的开 销；s p o c k 采用5 级流水线，采用三总线结构和分页式存储管理，并具有a m b a 外部总线接口。 6 第1 章绪论 片上互连设计 传统基于总线的片上互连缺乏可扩展性，难以满足复杂s o c 的互连要求，第三 章总结了传统总线式片上互连接的优缺点，并提出具有c r o s s b a r 拓扑结构的x r a i l 多通道总线和具有环形拓扑结构的x r i n g 片上通信网络两种片上互连方式。 传统的s o c 片上互连采用总线方式，所有片上设备如处理器、功能加速器和片 上外设通过时分复用( t d m ) 总线进行通信，多个总线主设备根据仲裁器的仲裁结果 竞争使用总线，在任意时刻，只有一个主设备能够使用总线。这种总线结构在要互 连的片上设备较少时是行之有效的，但由于复杂片上系统中通常有多个总线主设备 如r i s c 处理器，d s p 处理器，d m a 控制器等，简单总线结构难以提供各这些总 线设备所需的传输带宽，成为系统的性能瓶颈。片上通信网络将通用计算机网络的 抽象方法和编程模型应用到片上系统中，在芯片上建立结点之间的通信链路，制定 通信协议进行链路控制。相对于片上总线及点对点片上互连，片上通信网络可扩展 性更好，通信模型更抽象，适应于复杂s o c 的片上互连。 x r a i l 是一种基于c r o s s b a r 网络的片上多通道总线，它通过集中的仲裁器使 多个总线主设备共享多个总线从设备。当访问不同从设备时，x r a i l 多个传输可 以同时进行，具有很高的传输带宽。x r a i l 定义了层次化的互连协议抽象其互连 行为，通过片上多处理器实验x r a l 片上通信网络的性能得以评估。 x r i n g 是一种环形拓扑的片上通信网络，由于采用简单的拓扑结构和链路管理 方法，x r i n g 具有很低的硅面积成本。x r i n g 体系结构包括了处理结点和通信网络 之间的接口设计，链路控制协议，以及系统集成方法。实验表明x r i n g 通信带宽 优于传统总线，采用x r i n g 对h 2 6 4 a v c 解码器的各功能模块进行互连通信实验 表明，x r i n g 适用于h 2 6 4 a v c 视频解码等s o c 的片上互连。 片上双核设计 g e m i n i 是一个面向多媒体处理的片上双核s o c 系统，它集成了c k 5 1 0r i s c 处理器和s p o e kd s p 处理器。第四章描写了g e m i n i 的体系结构，以及双核之间的 通信机制，并描述g e m i n i 上实现的o g g v o r b i s 音频解码器。 g e m i n i 主要面向音频、图像和语音的编解码应用。c k 5 1 0 上运行操作系统， 主要运行用户界面程序并响应大多数外部设备，s p o e k 对音频等处理算法进行加 速，g e m i n i 片上系统中包含了m a c 、u s b 、l c d 、a c 9 7 等外设接口。通信、多 媒体等应用的数字处理往往分为计算密集型和控制密集型两类任务，d s p 具备高效 的数字运算单元和为数据处理优化的寻址模式和指令，能快速完成计算密集型任 务；r i s c 处理器具有通用的编程模型，能够连接各种外设、运行复杂操作系统， 适用于完成控制密集型任务。由r i s c 和d s p 组成的g e m i n i 片上双处理器构架结 合了两者的优点，能够实现多种复杂应用。 g e m i n i 系统最重要设计问题是处理器间通信机制设计，各处理器上运行的进 程之间需要共享资源、传输数据并保证进程同步。为了能灵活的进行处理器之间的 通信，g e m i n i 上实现了邮箱( m a i l b o x ) 、共享存储( s h a r e dm e m o r y ) 、d m a 三 种通信机制。本章描述了片上r i s c d s p 双核系统g e m i n i 中三种通信机制的设 计，并通过通信实验测试各自的通信延迟和带宽等性能参数。 浙江大学博士学位论文 m s s o c 体系结构 随着应用的复杂化，系统需要更强的处理能力和更快的外部接口设备。在单处 理器系统中，所有计算都集中在唯一处理器上，处理器的处理能力成为系统性能瓶 颈。对于嵌入式应用，可以根据应用的功能，将目标系统划分成结构简单功能单一 的子系统，对每一个子系统单独设计来降低系统的设计复杂度，将多个子系统通过 片上互连机制集成在同一块芯片上，完成片上多处理器系统设计。 m s s o c ( m u l t is u b s y s t e mo nc h i p ) 是面向多媒体处理的片上多处理器系统，它 采用x r a i l 多通道总线和x r i n g 片上通信网络作为片上互连方法，将多个基于处 理器或基于a s i c 设计的功能结点相连接，完成目标应用的功能。第五章描述了 m s s o c 的体系结构，并基于该体系结构设计了一个h 2 6 4 视频解码，本章描述了 其中的h 2 6 4 解码子系统和显示子系统的设计，以及系统启动和调试的机制。 m s s o c 体系结构能集成多个功能结点，每个结点完成系统的一部分功能，所 有的结点通过中央结点调度，并采用片上互连网络进行互连，完成整个应用所需功 能。处理结点可以采用基于处理器的设计或直接采用a s i c 方法设计，但结点之间 采用统一的网络接口进行连接，每个处理结点包括一个或者多个片上通信网络接 口。m s s o c 采用x r i n g 片上通信网络互连，它采用复杂度较低的环形拓扑结构( 单 向或双向) ，能满足复杂应用的互连需求。m s s o c 结点内部采用x r a i l 多通道总线 互连，x r a i l 是c r o s s b a r 结构的多通道总线，它满足结点内部各模块间通信带宽的 需求，并能方便的和x r i n g 网络接口和d m a 控制器相连接。 基于m s s o c 结构的多媒体处理系统包括4 个结点：主控结点、音频结点、视 频结点和显示结点。主控结点上运行操作系统和用户界面，包括通用输入输出接 口，并调度其他结点完成用户指令；音频结点和视频结点都是基于处理器的设计， 选用结构和功能非常简单的f a n gr i s c 处理器并增加功能加速器来实现音频和视 频的解码；显示结点是基于a s i c 的设计，它能对显示缓冲进行操作，支持b i t b l t 功能来加速图形化用户界面( g u i ) ，支持f i l t e r 来支持对视频的放大缩小等后处理 功能，显示系统还包含了l c d 控制器。 4 论文创新点 本文是作者在浙江大学攻读博士期间，从事与集成电路设计相关学习和科研工 作的总结。文中首先总结了s o c 设计必须采用的设计方法，然后描述了作者所参 的几个科研项目的设计内容，包括c k c o r er i s c 处理器和s p o o kd s p 的设计，以及 g e m i n i 片上双核系统和m s s o c 多处理器系统的设计。 其中作者的主要创新有： 提出基于c r o s s b a r 的x r a i l 多通道总线，并通过实验分析了其性能 提出具有环型拓扑的x r i n g 片上通信网络，并通过实验分析了其性能 提出m s s o c 片上多核体系结构，并设计了采用该体系结构的多媒体处理系统 第2 章片上系统的设计方法学 第2 章片上系统的设计方法学 由于集成电路工艺的进步，单块芯片上可以集成更多的功能单元和存储器。 片上系统( s o c ) 将数字、模拟、射频器件等集成在同一芯片之上，完成目标应用的 大部分功能。由于设计难度高、成本大，选择合理的设计方法是保证s o c 设计成 功的首要条件。这其中，i p 模块可重用设计【1 1 】、系统级建模【1 2 】和软硬件协同设 计【1 3 1 等方法被设计者广泛采用。 1 i p 可重用设计 片上系统集成数目众多的功能模块，使用已有的、经过验证的i p 模块能有效的 控制设计成本、缩短设计周期并提高设计质量，i p 可重用设计是复杂s o c 设计的 必选方法。i p 可重用设计制定并遵守可重用准则，使新设计的i p 易于使用，使 s o c 易于验证和改进，这些准则包括规范化、简单化和局部化 1 4 1 。 夺规范化( d i s c i p l i n e ：m a k ci tr e g u l a r ) 使i p 具有一致的设计风格，如接口信号的命名规则、复位方式、代码风格等， 规范化的设计更易于理解和使用，减少系统集成错误。 夺简单化( s i m p l i c i t y ：m a k ci ts i m p l ea n ds t u p i d ) 采用最简洁、最易于理解的方式解决设计中遇到的问题；将复杂模块分解为规 模小、功能单一的简单模块。简单设计更容易被分析和验证，使设计者更容易发现 设计中存在的问题，更早预见设计结果。 夺局部化( l o c a l i t y ：m a k ci ts m a l l ) 将问题限制在局部范围内，避免属于模块内部的问题扩散到模块外部；模块应 具有独立功能，并制定明确的模块间接口。局部化设计使系统的功能、时序和验证 局部化到各个模块中去，减少整体设计复杂度。 可重用设计方法的主要内容包括： 全局信号、模块接口的规范化 全局信号包括时钟、复位信号。时钟生成器、分频器，复位信号生成器是全局 模块，应在系统顶层被实例化，低层模块应规范化地使用全局信号，保证时钟树能 正确实现和复位信号的有效。模块间接口是体系结构设计的重要部分，模块接口信 号的修改导致需要修改多个模块，而模块内部信号的修改只涉及当前模块，明确的 接口定义将问题局部化到模块内部，简化模块集成难度。 片上互连重用 片上互连是s o c 设计的重要内容，采用标准片上互连能降低系统集成难度，提 高系统可靠性。业界流行的s o c 片上互连包括a r m 的a m b a 总线构架、i b m 的 c o r c c o n n e c t 总线构架等，为提高模块间互连能力，复杂片上系统使用c r o s s b a r 、 2 dm e s h 片上通信网络作为片上系统互连方式。具有可配置性和可扩展性的片上互 连是可重用的，设计者以片上互连为基础，将与应用无关的基本系统作为s o c 设 计平台，在平台上增加应用相关模块对系统进行扩展来实现应用所需要的所有功 能。这重基于平台的设计重用平台的大部分模块，而只定制应用相关的小部分模 块，从而显著加快了s o c 的设计速度。 9 浙江大学博士学位论文 测试环境复用 功能验证是复杂s o c 设计的难点，为保证测试覆盖率，设计者需要为s o c 系 统开发复杂的测试环境和大量测试向量。s o c 的测试应尽可能重用模块的测试环境 和测试向量。模块的断言测试在s o c 测试中是可重用的，如v e r a 断言；模块的 测试环境中增加了总线检测器( b u sm o n i s t o r ) 后在s o c 系统测试中也是可重用的。 通过采用这些测试复用技术，s o c 的测试周期可以大为缩短。 层次化的物理设计 s o c 系统的物理设计也越来越复杂，为了保证设计收敛性，将传统的平面化 ( f l a t t e n ) 的物理设计方法转变为层次化( h i e r a r c h i c a l ) 的物理设计方法是必要的。 1 1 全局信号和模块接口准则 i 时钟与信号同步 s o c 中各模块应尽量使用同步时钟，避免使用异步时钟；尽量使用同一时钟边 沿( 上升沿或下降沿) 触发的寄存器，避免同时使用上升沿触发的寄存器和下降沿触 发的寄存器。使用异步时钟或同时使用两种边沿触发的寄存器导致综合的时序约束 复杂化从而增加出错概率和调试难度，并且不利于扫描链的生成。如果设计中包含 了大量的上升沿和下降沿触发的寄存器，应该把它们放在不同的模块中，以利于划 分不同的扫描链。时钟生成器应该放入顶层模块被集成，避免在模块内部产生时 钟，内部产生的时钟不能作为扫描链的一部分，导致可测性限制或者综合问题。将 跨越时钟域的部分写成单独的模块，这样会使复杂的时钟问题局部化，有利于验证 和调试。 同源不同频信号的同步 相同时钟源、不同时钟频率时钟域之间的信号传递采用对齐信号( a l i g ns i g n a l ) 来保证同步。时钟生成器从同一时钟源分频产生不同频率的时钟的同时，产生时钟 对齐信号，用来在高频时钟域中指示出低率时钟域时钟所处的相位。当低频时钟域 向高频时钟域传递信号时，信号可能被重复采样，反之，高频时钟域向低频时钟域 传递信号时，会发生信号丢失。对于前者，低频信号只有当对齐信号处于某一相位 时才被采样；对于后者，高频信号只有当对齐信号处于正确相位时才能改变，这样 就能够保证不同时钟域之间的信号传递正确。 如图2 1 所示，p l l 的输出时钟作为系统时钟源，它被分频器分频产生不同频 率的时钟来驱动不同的时钟域，即c l k驱动 、 驱动_divl m o d u l e le l kd i v 2 m o d u l e 2 、e l kd i v 4 驱动m o d u l e 3 ，c r o s sm o d u l e l 同时被时钟e l kd i v l 和e l kd i v 2 驱动，c r o s sm o d u l e 2 同时被e l kd i v l 和c l k 驱动。时钟生成器同时生成对齐_div4 信号，在高频时钟域中表示出低频肘钟所处的相位，如a l i g n d i v 2 和a l i g n _ d i v 4 在 e l kd i v l 时钟域中分别表示出e l k d i v 2 和e l k d i v 4 当前所处的相位。对齐信号能 够表示的相位精度时钟域之间的分频倍数决定，例如，e l kd i v l 是e l kd i v 2 频率的 两倍，对齐信号a l i g nd i v 2 可以区分出e l k d i v 2 处于的0 1 8 0 。或1 8 0 3 6 0 。，而 c l k d i v l 是c l k d i v 4 频率的4 倍，对齐信号a l i g n d i v 4 1 ：o 】可以区分出c l k _ d i v 4 时钟处于0 9 0 。、9 0 1 8 0 。、1 8 0 2 7 0 。和2 7 0 3 6 0 。 1 0 第2 章片上系统的殴计方法学 d kd l v l 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 菱最苫甚 广 广 _ l d i v 2l l 或 l 一 0 的电平变化，所以称为两相握手信号。将发送状态改变至使能状态， 在发送使能状态下，可以将下一个数据保存至保存寄存器。发送使能状态可以用一 个状态机控制。 图2 - 4 异步f i f o 结构图 ! 厂 厂 广 厂 厂 厂 m 爻s d 啦l釜m 2 h t 一 1 厂 厂 厂 厂 厂厂 厂 图2 - 5a 两相握手同步逻辑框图b 两相握手同步逻辑的波形图 时钟数据恢复( c l o c kd a t ar e c o v e r y ) u s b 、p c i e x p r e s s 等串行外设接口采用时钟数据恢复技术来避免并行传输中 存在的时钟偏斜( c l o c ks k e w ) 问题，达到很高的传输速度，如p c i e x p r e s s l 0 传 输标准中数据传输速度达到2 5 g b p s 。时钟数据恢复技术通过从串行数据中恢复出 数据传输时钟，并用该时钟对数据信号进行采样来接受数据。对于高速的串行外 设，时钟恢复通常要借助锁相j 不( p l l ：p h a s el o o pl o c k ) ，p l l 产生与输入数据信 号边沿对齐的时钟信号，并对该时钟信号加不同的延迟改变其相位产生一组具有不 同相位、与输入信号具有相同频率的时钟信号，用这组时钟对数据输入进行采样 ( o v e rs a m p l i n g ) ，通过采样结果决定数据输入的当前值【17 】。 1 3 浙江大学博士学位论文 a l w a y s ( p o s e d g ec 1 k ) r x ds o = r x d ： a l w a y s ( p o s e d g ec 1 k ) r x ds 1 = r x ds o ： a l w a y s ( p o s e d g ec i k ) ， a v o i dd e t e c t i n l gl i n eg 1 i t c h e sa n dn o i s e i f ( r x d s o r x d s 1 )r x d s = l b 1 ： e l s ei f ( ! r x d s o ! r x ds 1 ) r x ds = 1 b o ： a l w a y s ( p o s e d g ec l k ) i f ( ! r s t ) d p l l s t a t e 分布示复位信号 圈2 - 6 分布式同步复位 复位信号要连接到所有需要被复位的寄存器，所以复位信号和时钟信号一样， 具有很大的负载。时钟信号从时钟源到各寄存器时钟输入端的延迟时间差别称为时 钟偏斜( c l o c ks k e w ) ，为了确保系统的性能，系统的时钟偏斜要尽可能小，通常采 用时钟树( c l o c kt r e e ) 来传递时钟信号。复位信号没有时钟信号那样苛刻的时序要 求，但复位信号也要能在同一个时钟周期到达所有要复位的寄存器，并满足触发器 的时序要求( 同步复位需要满足d 触发器的s e t u pt i m e 和h o l dt i m e ，异步复位 要满足触发器的r e c o v e r yt i m e 和r e m o v a lt i m e ) 。复位信号通常也采用平衡树来 传递，称为复位树。采用分布式复位网络，可以将复位树划分成更小的子树便于复 位树的生成。同步方式的分布式复位方法如图2 - 6