使用普通的多路复用器进行切换时钟会发生什么

在现代芯片中，芯片运行时有必要在两个不同的时钟之间切换。如果我们使用普通的多路复用器进行切换时钟会发生什么？多路复用器有一个名为 SELECT 的控制信号，该信号在设置为“零”时将 CLK1 传播到输出，或者在设置为“1”时将 CLK2 传播到输出。当 SELECT 值更改时，由于输出从当前时钟源立即切换到下一个时钟源，可能会引起毛刺。

图1普通多路复用器

verilog代码：

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

图2时钟切换的正常多路复用器实现的波形（有毛刺）

假如时钟由 clk1 切换到 clk2，且切换时刻为 clk1 输出电平为高的时候，此时立即切换时钟就会导致输出时钟出现毛刺（glitch）。在两个时钟电平相反的时候切换时钟，肯定有毛刺；电平相同的时候，即使不产生毛刺，时钟切换后的第一个时钟的周期或占空比也不是理想的。所以，为避免毛刺的产生，需要在两个时钟都为低电平的时候进行时钟切换。

时钟切换方案的设计思路

1.先关断当前选择的时钟，再新选择的时钟；

2.在时钟为低电平的时钟进行时钟切换；

一种典型的时钟切换电路如下所示。其中左边部分存在一个 互锁结构 ，与SR锁存器结构类似，不同之处是中间嵌入了2个下降沿触发器，这个设计非常巧妙。 互锁电路保证了当输出稳定后，其两端的输出值是互斥的 。插入dff后，电路有了记忆功能， 将互锁的逻辑用下降沿DFF抓一拍后反馈给另一侧，即使当目前select发现变化，只要当前选择的时钟下降沿没有到来时，不会切换时钟，只有当select发生变化，且当前选择的时钟下降沿到来后，关闭当前选择的时钟系统，等到另一个时钟系统下降沿到来时，切换至另一个时钟系统，完成时钟无毛刺切换 ，具体如下：

1. 当select稳定值为0时，此时系统选择的是clk1时钟，i_and1=1，flop1_o=1；i_and2=0，flop2_o=0；
2. 当selec由0向1进行变化时，i_and1输出变为0，但是在clk1下降沿到来前，flop1_0会稳定输出为1，因此i_and2仍然输出0，flop2_o保持为0，此时选择的是clk1时钟；
3. 当clk1下降沿到来时，flop1_0输出变为0，关闭clk1，i_and2的输出会变为1，在clk2下降沿到来前，flop2_o保持为0，此时系统输出低电平；
4. 当clk2下降沿到来时，flop2_0输出变为1，打开clk2，此时系统选择的时clk2时钟；

图3无毛刺时钟多路复用器

verilog代码：

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

考虑到选择信号有可能是异步信号，需要在时钟选择信号的缓存触发器之前加两级触发器进行同步处理，来减少亚稳态的传播，结构图如下。该时钟切换电路更具有普遍性。

图4无毛刺时钟多路复用器（使用双同步器）

verilog代码：

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