RTL设计方法学及设计原理之数字信号的类型分析

理解了寄存器的原理，在了解实际电路设计方法之前，先让我们了解一下，在数字集成电路设计时，需要处理一些什么样的信号类型，并且如何通过常用的电路结构实现对这些信号的处理，以便应用到实际电路的设计工程中。

时钟信号

RTL设计以同步电路设计为基础，这意味着在某个局部电路中，所有寄存器都被同一个时钟驱动。

这里所说的时钟，是一种规律性的逻辑电平信号，每隔一个固定周期，就会进行一次电平的翻转。如下图所示：

一般说来，时钟信号包含以下四个关键属性：

• 周期（Period）/频率（Frequency）
  时钟信号一次逻辑1和随后一次逻辑0总共持续的时间，被称之为该时钟的时钟周期（Clock Period），测量时一般是从某个上升沿50%VDD到下一个上升沿50%VDD之间的时间，如上图中的TP1和T P2 。而周期的倒数，则称之为该时钟工作频率（Clock Frequency）。
  比如说，一个时钟信号的时钟周期如果是1ns，则其工作频率就是1/1ns=1GHz。
• Duty Cycle
  在一个时钟周期内，该时钟信号电平信号保持为逻辑1的时间，占用整个时钟周期的比例。比如说，一个时钟信号的时钟周期是1ns，而逻辑1的持续时间是0.3ns，则该时钟信号的duty cycle为0.3/1=30%。
  一般来说，我们希望使用的时钟，是一个duty cycle为50%的驱动信号。原因是如果使用该时钟的反相时钟，则其反相时钟的duty cycle仍然能保持50%，这在电路设计或时序收敛时，会更容易实现，电路设计的工作频率也更容易提高。
• 时钟抖动（Jitter）
  时钟抖动，Jitter，有2种概念：
  一种是相邻周期时钟抖动，即相邻2个周期的时钟周期差值。以上图所示，即为，这种差值主要会影响时序分析中setup timing的计算，需要添加在时钟路径上。
  另一种是时钟源最大抖动，即某时钟产生源，比如说晶体振荡器（Oscillator）、锁相环（PLL、DLL）等，在不同工作环境（如温度、电压、湿度、负载等）、不同生产批次（生产工艺偏差），同一个配置条件下，可能产生的最大时钟周期与最小时钟周期的差值。该数值主要用于评估时钟产生源的质量。
• 变换时间（Transition Time）
  字面理解transition time即时钟变换时间，可以理解为时钟上升或下降需要的时间，这与其他逻辑信号中transition time是一个概念。如图中所示TRise以及T Fall ，分别表示时钟信号的上升时间和下降时间。一般工程上认定的测量方式，是10%VDD与90%VDD之间的变换时间。实际在标准单元库的时序建模时，一部分测量点使用了30%VDD和70%VDD并进行数学延展，可以参考标准单元库的使用说明文件来进一步理解。
  与普通逻辑信号的transition time相比，为了更好的控制时钟质量，需要尽可能减小其数值，以减小对setup或hold时序违背的影响。其次在设计时钟驱动电路时，需要尽可能的平衡输出端PMOS和NMOS的驱动能力，已获得相当的上升沿和下降沿变换时间，由此提高驱动电路输出信号的噪声容限。
  在RTL设计当中，只要是驱动时序逻辑元件（如寄存器、锁存器）时钟输入端的信号，都会被默认为时钟信号。如下图所示，流经S-D1和S-D2两段路径的信号都会被看做时钟信号，

而针对驱动每一个时序逻辑元件的时钟输入端，则额外存在以下2个关键属性：

• 时钟延时（Clock Latency）

时钟延时，即从时钟源到达该元件时钟驱动端的延时。如T1与T2，会因为经过不同的逻辑，到达所需驱动时序元件的延时有所不同。控制T1和T2以及同样从S端到达其他寄存器延时尽量相同，叫做时钟树平衡（Clock Tree Balance），是时序收敛的重要手段。

• 时钟延时差（Clock Skew）

可以看出，从同一个时钟源，到达不同元件的时钟驱动端，都会有所不同。则T1与T2的差值，就可以看成两个寄存器的时钟延时差，即Clock Skew，当然对于从S端到达所有需要驱动的寄存器，时钟延时最大值与最小值只差，就是这颗时钟树的Clock Skew。

刚才说了，为了做时钟树平衡，需要尽量减少Clock Skew，不过，在具体工程时，可能会因为功耗设计、特殊路径优化等的需要，在时钟树上，为某些特定的叶部（对于时钟树来说，把源头看成根部root，则每一个时序逻辑终点叫做叶部，即leaf）增加Latency，以加大clock skew。

电平信号与脉冲信号

RTL的设计是建立在同步电路基础上的，因此寄存器与寄存器之间的通讯，都是通过时钟作为同步信号来实现的。这里所说的电平信号，一般指信号宽度大于等于2个时钟周期的数据。而脉冲信号，这里指只有1个时钟周期信号宽度的数据。

而对于远远小于1个时钟周期信号宽度的数据，行业内多数称之为毛刺，是不可靠的数据。