高性能CPU时钟网络设计
高性能计算系统(HPC)软件实施方案
2：高性能计算平台——分系统组成
高性能计算平台——仿真计算分系统
双路计算服务器、双路GPU计算服务器、16路胖节点计算服务器组成。
硬件组成
软件配置
CAE高性能计算软件由于其计算方式的不同，对CPU、内存、IO等的要求也不同，具体分为三大类：IO密集型，通讯密集型和支持GPU加速类型。
考虑因素
应用软件兼容性Linux和Windows的互兼容性CPU兼容性厂家对操作系统的支持时间
操作系统
安装方式
Windows
图形服务器本地硬盘配置一块系统盘，全部空间都分配给c:盘。安装过程中选择带“图形界面的Windows Server”。
Linux
2路服务器本地配置一块系统盘。16路服务器本地多块配置一块系统盘。操作系统安装过程中选择“Desktop User”模式，安装完成后配置Yum，Yum源放置到/apps/rhel68下面，方便后续随时增减安装包。配置PAM动态认证插件，实现动态SSH配置，提升系统安全性。每台机器需要配置IB驱动和并行运行环境，保证并行计算可以通过IB口进行通信。并行运行环境需要配置MPICH、Open MPI和Intel MPI几种，并优先使用Intel MPI。
/opt/xcat
-
集群管理软件
/apps/<appname>
C:\(本地盘)
应用软件安装位置
计算数据区
/data
/data/<密级>/<user>
S:\（映射盘）
用户计算作业临时存储空间，不同密级的任务数据文件分开
存储规划
3：项目实施——集群时钟同步
cpu参数单位
cpu参数单位CPU参数单位：时钟频率、核心数、缓存容量、热设计功耗时钟频率是衡量CPU性能的重要指标之一。
它表示CPU内部时钟的速度，单位为赫兹（Hz）。
时钟频率越高，CPU每秒钟能执行的指令数就越多，处理速度也就越快。
然而，时钟频率并不是唯一决定CPU性能的因素，其他因素如架构、指令集等也会影响CPU的实际性能。
核心数是指CPU中物理处理核心的数量。
每个处理核心都能独立执行指令，因此核心数越多，CPU能同时处理的任务也就越多。
多核处理器能够提高多线程应用程序的性能，使得计算机能够更好地处理多任务。
缓存容量是指CPU内置的高速缓存的大小。
高速缓存是CPU与内存之间用于加速数据传输的存储器，可以存储CPU频繁使用的数据和指令。
缓存容量越大，CPU能够缓存更多的数据，减少对内存的访问次数，提高数据读取和处理的速度。
热设计功耗（TDP）是指CPU在正常工作状态下产生的热量。
CPU 的工作会产生大量的热量，如果不能有效地散热，就会导致CPU温度过高，降低性能甚至损坏。
因此，了解CPU的热设计功耗是选择合适的散热方案的重要依据。
时钟频率、核心数、缓存容量和热设计功耗是选择CPU时需要考虑的重要参数。
不同的应用场景有不同的需求，需要根据实际情况来选择合适的参数。
时钟频率越高，CPU的处理速度越快。
对于需要高性能计算的任务，如游戏、视频编辑等，选择时钟频率较高的CPU可以获得更好的性能。
但是，高时钟频率也意味着更高的功耗和散热需求，需要配备相应的散热设备。
核心数的选择取决于实际的多任务需求。
如果需要同时运行多个应用程序或进行多线程计算，选择核心数较多的CPU可以提高系统的响应速度和并行计算能力。
但是，并非所有应用程序都能充分利用多核处理器，有些单线程应用程序可能无法得到明显的性能提升。
缓存容量对于大数据量的处理和频繁读取数据的应用程序尤为重要。
较大的缓存容量可以提高CPU的数据命中率，减少对内存的访问次数，从而提升系统的响应速度。
MIPS指令五级流水CPU设计剖析
MIPS指令五级流水CPU设计剖析MIPS指令五级流水CPU设计是一种高性能的处理器设计架构，它将指令的执行过程拆分为五个阶段，并且在每个阶段中可以同时处理多条指令，实现了指令级并行处理。
在这种设计中，分别是取指（Instruction Fetch）、译码（Instruction Decode）、执行（Execute）、访存（Memory Access）和写回（Write Back）这五个阶段。
在MIPS指令五级流水CPU设计中，首先是取指（Instruction Fetch）阶段，这是整个处理器开始处理一条指令的阶段。
在这个阶段，处理器从指令存储器中读取即将执行的指令，并将其送入流水线中。
这个阶段还会包括对指令地址的计算和异常处理的操作。
当一条指令流入流水线后，处理器就会进行下一个阶段的操作。
接下来是译码（Instruction Decode）阶段，这个阶段主要是将取到的指令进行解码，确定指令的操作类型和需要操作的寄存器等信息。
在这个阶段，会根据指令的不同分支到不同的功能单元中处理。
同时还会识别指令之间的数据相关性，以便在后续阶段进行相应的控制。
第三个阶段是执行（Execute）阶段，在这个阶段，CPU执行指令的操作，进行算数运算或逻辑运算，或者进行跳转等控制操作。
在这个阶段，CPU还将从寄存器文件中读取数据，并进行相应的运算。
这个阶段涉及到的计算量比较大，所以需要比较多的时钟周期来完成。
接下来是访存（Memory Access）阶段，这个阶段主要是处理访问数据内存的操作，比如从数据内存中读取数据，或将结果写入数据内存等。
在这个阶段，处理器还会涉及到访存相关的操作，比如缓存机制的处理等。
这个阶段的操作通常是比较高速的存储器操作。
最后是写回（Write Back）阶段，这个阶段是处理器的最后一个阶段，处理器将执行结果写回到寄存器文件中，或进行其他相关的操作。
这个阶段可以认为是指令执行的结束阶段，对前面四个阶段产生的结果进行最终的处理。
基于51单片机的多功能电子钟设计
基于51单片机的多功能电子钟设计1. 本文概述随着现代科技的发展，电子时钟已成为日常生活中不可或缺的一部分。
本文旨在介绍一种基于51单片机的多功能电子钟的设计与实现。
51单片机因其结构简单、成本低廉、易于编程等特点，在工业控制和教学实验中得到了广泛应用。
本文将重点阐述如何利用51单片机的这些特性来设计和实现一个具有基本时间显示、闹钟设定、温度显示等功能的电子钟。
本文的结构安排如下：将详细介绍51单片机的基本原理和特点，为后续的设计提供理论基础。
接着，将分析电子钟的功能需求，包括时间显示、闹钟设定、温度显示等，并基于这些需求进行系统设计。
将详细讨论电子钟的硬件设计，包括51单片机的选型、时钟电路、显示电路、温度传感器电路等。
软件设计部分将介绍如何通过编程实现电子钟的各项功能，包括时间管理、闹钟控制、温度读取等。
本文将通过实验验证所设计的电子钟的功能和性能，并对实验结果进行分析讨论。
通过本文的研究，旨在为电子钟的设计提供一种实用、经济、可靠的方法，同时也为51单片机的应用提供一个新的实践案例。
2. 51单片机概述51单片机，作为一种经典的微控制器，因其高性能、低功耗和易编程的特性而被广泛应用于工业控制、智能仪器和家用电器等领域。
它基于Intel 8051微处理器的架构，具备基本的算术逻辑单元（ALU）、程序计数器（PC）、累加器（ACC）和寄存器组等核心部件。
51单片机的核心是其8位CPU，能够处理8位数据和执行相应的指令集。
51单片机的内部结构主要包括中央处理单元（CPU）、存储器、定时器计数器、并行IO口、串行通信口等。
其存储器分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
程序存储器通常用于存放程序代码，而数据存储器则用于存放运行中的数据和临时变量。
51单片机还包含特殊功能寄存器（SFR），用于控制IO端口、定时器计数器和串行通信等。
51单片机的工作原理基于冯诺伊曼体系结构，即程序指令和数据存储在同一块存储器中，通过总线系统进行传输。
毕业设计(论文)-基于单片机多功能电子时钟的设计与仿真(含程序仿真)[管理资料]
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程序仿真等全套设计，联系153893706第1章绪论二十一世纪的今天，最具代表性的计时产品就是电子万年历，它是近代世界钟表业界的第三次革命。
第一次是摆和摆轮游丝的发明，相对稳定的机械振荡频率源使钟表的走时差从分级缩小到秒级，代表性的产品就是带有摆或摆轮游丝的机械钟或表。
第二次革命是石英晶体振荡器的应用，发明了走时精度更高的石英电子钟表，使钟表的走时月差从分级缩小到秒级。
第三次革命就是单片机数码计时技术的应用（电子万年历），使计时产品的走时日差从分级缩小到1/600万秒，从原有传统指针计时的方式发展为人们日常更为熟悉的夜光数字显示方式，直观明了，并增加了全自动日期、星期、温度以及其他日常附属信息的显示功能，它更符合消费者的生活需求！因此，电子万年历的出现带来了钟表计时业界跨跃性的进步……我国生产的电子万年历有很多种，总体上来说以研究多功能电子万年历为主，使万年历除了原有的显示时间，日期等基本功能外，还具有闹铃，报警等功能。
商家生产的电子万年历更从质量，价格，实用上考虑，不断的改进电子万年历的设计，使其更加的具有市场。
本设计为软件，硬件相结合的一组设计。
在软件设计过程中，应对硬件部分有相关了解，这样有助于对设计题目的更深了解，有助于软件设计。
基本的要了解一些主要器件的基本功能和作用。
除了采用集成化的时钟芯片外，还有采用MCU的方案，利用AT89系列单片微机制成万年历电路，采用软件和硬件结合的方法，控制LED数码管输出，分别用来显示年、月、日、时、分、秒，其最大特点是:硬件电路简单，安装方便易于实现，软件设计独特,可靠。
AT89C52是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。
95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受。
本文介绍了基于AT89C52单片机设计的电子万年历。
选题背景及研究的目的与意义设计的目的电子钟已成为人们日常生活中必不可少的物品，广泛用于个人家庭以及车站码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。
基于51单片机的电子时钟
1、电子闹钟的硬件系统框架：设计出电子闹钟的基本整体框架。
2、电子闹钟的电源设计：采用交直流供电电源。
电子钟一般采用数码管等显示介质，因而必须以交流供电为主，以直流电源为后备辅助电源。
3、电子闹钟的主机电路设计：主要有1）系统时钟电路设计：对时间要求不是很高，只要能使系统可靠起振并稳定运行就行。
2）系统复位电路设计：本系统采用的是RC复位方式3）按键与按钮电路设计：按键与按钮电路设计中关键要考虑的就是按键的去抖动问题。
本系统采用软件去抖。
考虑到对时和设定闹铃时间操作的使用频率不高，为了精简系统和降低成本，本系统只设置两个按键。
a）SET键，对应系统的不同工作状态，具有3个功能：在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数（对时或定闹）；在设定时间参数状态而且不是设定最低位（即分个位）的状态下，用于结束当前位的设定，当前设定位下移；在设定最低位（分个位）的状态下，用于结束本次时间设定。
b）+1键，用于对当前设定位进行加1操作。
4）闹铃声光指示电路设计：本系统采用声音指示，关键元件是蜂鸣器。
4、电子闹钟的显示电路设计：设计一个由LED数码管组成的显示电路，显示采用共阳极数码管，其目的是为了简化限流电路的设计和实现亮度可调的要求。
一功能模、设计指标：1. 显示时、分、秒。
2. 可以24小时制或12小时制。
3. 具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。
校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。
4. 具有正点报时功能，正点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
5. 为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。
二、设计要求：1. 画出总体设计框图，以说明数字钟由哪些相对独立的块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。
并以文字对原理作辅助说明。
2. 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
3. 选择合适的元器件，在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
芯片设计需要的知识点
芯片设计需要的知识点芯片设计是一门复杂而精密的工程，需要掌握多个知识领域的基础和专业知识。
本文将介绍芯片设计所需的主要知识点，以帮助初学者理解和入门芯片设计。
一、电子学基础知识1.1 电路理论：芯片设计离不开电路理论的基础，掌握电流、电压、电阻等基本概念，了解欧姆定律、基尔霍夫定律等电路理论原理。
1.2 逻辑电路：理解逻辑门电路，如与门、或门、非门等，了解组合逻辑和时序逻辑电路的设计方法。
1.3 模拟电路：了解模拟电路设计原理，如放大电路、滤波电路等，熟悉常见的放大器、滤波器等电路的设计和特性。
二、计算机体系结构知识2.1 计算机组成原理：了解计算机的基本组成部分，如中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等，熟悉计算机指令和指令的执行过程。
2.2 微处理器架构：掌握微处理器的工作原理和内部结构，了解CPU的指令系统、寄存器、流水线等。
2.3 性能优化：了解性能优化的方法和技术，如流水线设计、指令级并行等，能够通过对芯片结构和设计的优化来提高芯片的性能。
三、数字电路设计知识3.1 布尔代数和逻辑门：掌握布尔代数的基本原理，了解与门、或门、非门等基本逻辑门的特性和应用。
3.2 状态机设计：理解有限状态机的概念和设计方法，熟悉状态图、状态转移表等状态机的表示方法。
3.3 时序逻辑设计：了解时钟信号、触发器、时序逻辑电路的设计和应用，能够进行时序逻辑的设计和分析。
四、模拟电路设计知识4.1 放大器设计：熟悉各种放大电路的设计和特性，如低频放大器、高频放大器等。
4.2 滤波器设计：了解滤波器的设计原理和常见的滤波器类型，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
4.3 数据转换器设计：了解模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的设计原理和性能指标，能够进行数据转换器的设计和优化。
五、集成电路设计知识5.1 CMOS工艺：了解CMOS工艺的原理和制程流程，熟悉CMOS器件的特性和参数。
5.2 器件模型：理解器件模型的建立和使用，如MOS模型、BJT模型等，能够进行器件级的仿真和验证。
单片机的中央处理单元原理与性能分析
单片机的中央处理单元原理与性能分析单片机是一种集成电路，包含了中央处理单元（CPU）、存储器和外设接口等功能模块。
其中，中央处理单元作为单片机的核心部分，负责处理数据和执行指令。
本文将详细介绍单片机中央处理单元的原理与性能分析。
一、中央处理单元的原理中央处理单元（CPU）是单片机的核心组成部分，主要负责指令的控制和数据的处理。
CPU通常由控制器、运算器和寄存器组成。
1. 控制器控制器是CPU中的主要部分，负责指令的解码和执行。
它从存储器中读取指令，解码指令的操作码，并根据操作码控制执行相应的操作。
控制器还负责控制数据的输入输出和处理器的时序。
2. 运算器运算器是CPU中的另一个重要部分，主要负责数学和逻辑运算。
它能够执行加、减、乘、除等算术运算，并进行逻辑判断以实现条件分支等功能。
3. 寄存器寄存器是CPU中的临时存储器件，用于暂存数据和地址。
它们比其他存储器速度更快，因此可以提高CPU的运行效率。
常见的寄存器包括累加器、程序计数器、标志寄存器等。
二、中央处理单元的性能分析中央处理单元的性能主要通过以下几个指标进行评估。
1. 时钟频率时钟频率（Clock Frequency）指的是CPU内部时钟的频率，即CPU能够执行的最大操作次数。
时钟频率越高，CPU处理速度越快。
时钟频率与处理器的时钟周期相关，时钟周期是时钟频率的倒数。
因此，时钟频率越高，时钟周期越短。
2. 指令集指令集是CPU能够执行的指令的集合。
不同的CPU具有不同的指令集，如x86、ARM等。
指令集的设计直接影响到CPU的功能和性能。
现代的CPU通常采用复杂指令集（CISC）或精简指令集（RISC）。
3. 流水线技术流水线技术是提高CPU性能的一种重要手段。
它将指令的执行过程划分为多个阶段，并使多个指令可以同时在不同阶段执行。
这样能够提高指令的并行性，提高CPU的效率。
4. 缓存技术缓存技术是一种用于提高CPU访问速度的方法。
CPU内部包含了多级缓存，用于暂存指令和数据。
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在时钟网络中插人 ｂｆｒ ｕｅ的级数取决于寄存器 和互连线的负载电容以及所允许的时钟偏斜，ｕｅ Ｂ生； １８ ９ 硕士 研究方向： 高性能微处理器的 时钟系 统与布局、 联系 布线； 人。
１ ｎ人
刘 军等： 高性能 Ｃ Ｕ时钟网络设计技术 Ｐ
图 １ 时钟分配网络的结构
了高性能 ＣＵ的时钟网络设计技术。 Ｐ
１ 时钟分配网络设计策略
高性能的时钟分配网络设计的主要 目 标是： 在 确保不发生数据穿透的条件下， 通过在全系统范围 内对时钟偏斜进行调度， 使得时钟偏斜尽可能小， 从 而提高芯片操作频率， 这个过程被称为时钟偏斜调 度。在进行时钟系统物理布局、 布线的时候， 应充分 考虑到所采用的时钟分配网络的设计策略和拓扑结 构。时钟网络的设计与分配一直是数字系统设计实 现的研究热点， 出现了多种时钟分配策略， 在物理实 现中各有优点， 其中最通常的方式是采用加 ｂｆｒ ｕｅ 的时钟树， 这是一种非对称结构。与此相对， Ｈ 像 － 树这种对称结构也常被用作高速时钟信号的分配网
向 和纵向屏蔽。Ａ ｈ ２ ６ 的层次式的时钟分配 ｌａ ４ ｐ １ ２
网络如图 ６ 所示。
．． 月 泊自侧 脚
图８ ｅ ＝ 的时钟网络 Ｉｍ ２ ｔ
图‘ Ａ ａ ６ 的层次式时钟分配网络 ｌ ２ ４ ｈ ２ ｐ １ ２２ ｔ ｉ 系列微处理器 ． Ｉｎ ｍ ａｕ
来源。一个 ｂｆｒ ｕｅ所能驱动的下一级 ｂｆｒ ｕｅ的数量 由源驱动 ｂｆｒ ｕｅ的电流强度以及 目的 ｂｆ： ｕｅ的电容 大小来共同决定。时序通路上的最后一级 ｂｆｒ ｕｅ输 出对寄存器／ 存储元件的时钟控制信号。传统的时 钟网络设计的主要目 标是使得时钟信号到达各个寄 存器的时间精确一致， 但这个目 标难以实现。目 前，
Ａ ｈ２ ６ １ ４ ｌａ ４ 采用单相时钟信号， ｐ １［ ０ 通过５ 级
ｂｆｒ ｕｅ进行分配。整个时钟网络由 １ 个单独的单 ４ ５ 元组成。每一单元包括 ４ ｂｆｒ 级 ｕｅ， 与最后的输出相 连， 驱动就近的寄存器。这些 ｂｆｒ ｕｅ构成一棵树， 如
图４ 所示 。
｝ ）
１２ 对称的 Ｈ树时钟分配网络 ． － Ｈ树时钟分配网络采用层次式的、 一 平面对称式 的 Ｈ树或 Ｘ树结构， 一 一 如图３ 所示。这种结构使得各 时序通路有着相同的拓扑结构， 有利于减少局部的 时钟偏斜。主时钟驱动器位于主“ ＇ Ｈ， 型结构的中 心， 时钟信号的分布通过逐级缩小的“ ＇ Ｈ’ 型结构向 前推进，一 Ｈ树的叶子节点直接驱动寄存器或通过局 部ｂｆｒ ｕｅ放大后驱动寄存器， 这种时钟网络分配方 式理论上可以使得每条时钟通路上都具有相同的延 迟。导致时钟通路上延迟不一致的主要原因是工艺 的变化对连线电阻及 ｂｆｒ ｕｅ物理延迟的影响。采用 ｆ Ｈ树结构的时钟分配网络的时钟偏斜的大小取决于 一 器件的物理尺寸、 对半导体工艺的控制以及 ｂｆｒ ｕｅ 和锁存器在该结构中的插人深度。在层次式 Ｈ树 一 结构中， 当时钟信号逐级传播时， 互连线的宽度也是 逐级递减的。这种方式使得时钟信号在分支点处的 反射最小。特别是， 从分支点发出的连线电阻 Ｚ＋ ｋ１
图５ ０ Ｍ ｌ．微处理器全局时钟分配网络 Ｎ Ａｐ ６ － ０ ｌ
Ｇ Ｌ 经过几级 ｂｆ： ＣＫ ｕｅ后由局部时钟和局部条
件时钟来进行控制 ， 这种门控时钟的布局、 布线策略
有利于降低功耗， 对局部时钟偏斜调度也更加灵活， 进而可以采用时间借调技术， 提高整个系统的时钟 频率。在 Ｇ Ｌ ＣＫ网络内的所有连线被电源／ 地线侧
． 口
布线方式， 可以有效的减少电源抖动噪音、 共模及差 模输人噪音和信号的翻转率， 而且重度屏蔽也能减 少对系统的藕合噪音； 二级布线（２ ） ＬＲ 采用非差分 布线方式和控制 ｂｆｒ逻辑门） ｕｅ （ 。为了获得尽可能
月
圈３ 层次式 ｘ树和 ｘ树时钟分配网络 － －
设计的芯片。全局时钟信号 Ｇ Ｌ 通过上千个缓冲 ＣＫ 器和逻辑门来驱动寄存器， 如图５ 所示。
一 １７ 一 ０
高技术通讯 ２０ ． ０４增刊
， ．
、
＿
＿＿＿＿＿＿＿ｒ＿ ＿＿＿＿＿ ，
四‘斗芬 １
洲
， ｒ
钟频率为２０ Ｈ ， ０Ｍ ｚ即每一个局部数据通路时钟周期 都是５ 每一时钟周期近似地表示为 １ 个门延 ｎ， ｓ ６
时钟源
迟［。 ‘ 它假定时钟偏斜的影响是全局而不是局部 〕
的。为了设计和分析这种高速系统的功能， 要求对
各动态逻辑门和互连线的特征进行模拟。
图２ 带三级 ｂｆｒ ｕ ｅ 的时钟分配网络
常用来同步或者控制芯片／ 系统中的各个设计部分
络。
１１ 带 ｂｆｒ ． ｕｅ 的时钟树 在ＶＳ 设计中， ＩＩ 最普遍采用的时钟信号分配策 略就是在时钟源和时钟通路上加 ｂｆｒ ｕｅ构成树状结 ｆ 构。时钟源作为树的根， 树的初级部分作为主干， 驱 动每个寄存器的各条通路作为树的分枝， 被驱动的 寄存器作为叶子节点。另外， 时钟树的 ｍｓ结构有 ｅ ｈ 时也会被采用。Ｍ ｓ 结构被认为是对标准形式的 ｅ ｈ 扩展， 它能有效的减少连线电阻和时钟偏斜。时钟 树结构如图 １ 所示。
广泛的应用 ， 为了提高系统性能和可靠性 ， 根据局部 数据通路的特性， 可以有意地引人正的或负的时钟 偏斜 。
２１ ｐａ ． Ａ ｈ 微处理器系列时钟系 ｌ 统设计 ＤＣＣ ｐ Ａ ａ ｑ ｈ微处理器系列代表了高速 Ｅ／ｏ ａ ｌ ｍ ｐ 微 处理器技术发展的一个里程碑。Ａ ｈ ２ ６ 时 ｌ ａ ４ ｐ １ ０
２ 时钟分配网络技术在高性能 ＣＵ Ｐ
中的应用
时钟网络的性能直接影响高性能 ＣＵ的性能 Ｐ 和可靠性， 如何设计高性能的时钟分配网络、 减少时 钟偏斜、 如何利用时钟分配网络的有效时钟偏斜及 降低时钟系统的功耗， 一直是高性能 ＣＵ设计实现 Ｐ 所要研究的热点。
有用的时钟偏斜（ｍ Ｂｒｗ ｇ的概念已经得到了 ｔｅ ｉ ） ｉ ｏ ｎ ｏ ｒ
绍了高性能 Ｃ Ｕ的时钟网络设计技术。 Ｐ
关键词 时钟分配网络， 时钟树， 时钟偏斜， 互连延迟
０ 引 言
在同步数字系统中， 时钟分配网络的设计直接 影响系统的性能。在逻辑设计阶段， 通常将时钟信 号作为简单的同步控制信号加以处理， 很少涉及时 钟信号的物理特性。在实际的数字系统物理设计实 现中， 时钟分配网络的设计规划、 时钟信号的具体布 局、 布线方式直接影响系统的性能和可靠性， 并直接 决定了芯片／ 系统的功耗。 在数字系统中， 时钟信号具有下述特征： 负载 大， 连线距离长， 信号的翻转率高。由于时钟信号通
第２ Ｉｎｍ微处理器的时钟网络［采用平 ｉ 代 ｔｕ ａ ［ ３ ］
衡的多级 Ｈ树结构实现， 一 如图８ 所示。 时钟网络分为两级： 一级布线（１ ＬＲ 采用差分 ）
．
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一
全 局 时钟 信 号
．．声
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拼执一 一
ＧＣ Ｇ ｉ Ｌ Ｋ ｒ ｄ
Ｄ Ｋ低时钟偏斜ｂｆｅ Ｓ： ｕｆｒ
十局时分， 部钟配
图７ 第一代 】 ｎ ｍ的时钟分配网络 ｔｉ ａｕ
第Ｉ ｔ ｕ ｉ 代Ｉｎｍ微处理器时钟分配网络［ ａ ２ ｌ 包括３
个部分： 全局时钟和区域时钟分布都采用平衡树结 构， 局部时钟分配采用多个局部时钟 ｂｆｒ ｕｅ对寄存 器进行驱动。另外， 存在一个与全局时钟同时分布 的参考时钟， 它在区域时钟中被用来对时钟偏斜进 行调整。全局时钟信号从时钟源（ 芯片上的 ＰＬ 出 Ｌ） 发， Ｈ树型结构分布到 ８ 沿着 一 个低时钟偏斜簇之 一， 而每个低时钟偏斜簇又包括最多 ４ 个低时钟偏 斜 ｂｆｒ ｕｅ 。全局时钟树采用最高 ２ 层金属布线， 为了 避免电容和电感祸合效应 ， 它与电源和地线进行侧 向屏蔽。 第 １ Ｉｎ ｍ的时钟网络如图７ ｉ 代 ｔｕ ａ 所示。
的具体操作， 设计实现时要求时钟信号的波形具有 很高的质量， 即必须干净和陡峭， 时钟信号的翻转时 间短。此外， 物理设计中对时钟信号延迟的控制必 须特别小 Ｌ， ＂ 因为时钟信号延迟误差会直接导致数
据穿透 、 数据失效的发生。 本文讨论物理设计 中时钟分配网络的设计技 术， 并以高性能 ＣＵ的时钟网络的设计为例， Ｐ 介绍
（ 收稿日 ２０－ － ） 期： ４ ３ｉ ０ ０ ｓ
＿
如果时钟源的驱动 ｂｆｒ ｕｅ 的连线电阻远小于它 的输出电阻， 就可以采用单一的、 集中式的 ｂｆｒ ｕｅ来 驱动整个时钟分配网络。当我们不太关心整个网络 的负载平衡时， 这种策略是合适的。
另一种可供选择的方式是将 ｂｆｒ ｕｅ分散到整个 时钟网络。当然这会使得布线面积增大， 但时钟信 号波形精确， 也较容易被控制。当连线电阻的影响 不可被忽略时， 这是一种必然的选择。采用分散的 ｂｆｒ ｕｅ设计， 一方面对时钟信号进行逐级放大， 另一 方面将局部时钟网络与上级网络分隔开。图 ２ 为一 种采用这种策略设计的带 ｂｆｒ ｕｅ的三级时钟分配网
高技术通讯 ２０． ０４增刊
高性能 Ｃ Ｕ时钟网络设计技术 Ｐ
刘 军① 胡建国 刘 龙 曾献君
（ 国防科学技术大学计算机学院 长沙４０７） １ ３ ０
摘 要 讨论了 物理设计中时钟网络的设计技术， 并以现有的ＣＵ时钟网络的为例， Ｐ 介
） 时 ａ： 日一 钟［ ｝ ： ，
｛｝ ＞ ｝ －
圈４ Ｅ Ａ口 Ｄ Ｃ ．橄处理器时钟分配网络 ｌ
第２ ｍ ） 层金属（ ２垂直放置， 减少 ｂｆｒ ｕｅ树前 ４ 级所累积的时钟偏斜。主信号布线采用顶层金属 （３实现， ｍ） 有利于减少连线电阻， 提高性能。
第 ２代 Ａ ｈ ｐ ｌ ａ通用微处理器被称为 Ａ ｈ ｌａ ｐ ２１ ． ｈ系列第３ １４ Ａ ａ ６ ｌ ｐ 代是Ａ ｈ ２ ６。它们的每 ｌ ａ ４ ｐ １ ２
小的时钟偏斜， 两级布线都具有延迟可调的特性。 这种结构通过让电源电流回路靠近时钟信号线提供 对电感效应的屏蔽。在考虑时钟树实际的物理布 局、 布线时， 将整个芯片／ 系统大致分为四个负载区， 再对各负载区内的主要根节点定义初始的“ 保留通 道” 。从时钟源发出的全局时钟信号首先与主驱动 器相连， 再由主驱动器与各负载区域相连。这种方 式给顶层预布局充分的自由， 对各模块设计者而言， 顶层时钟布局、 布线是透明的。第 ３ Ｉｎ ｍ微处 代 ｔｉ ａｕ 理器的时钟网络基本上是沿用了第 ２ 代的物理布 局、 布线技术， 主要是引人了基于融合的时钟偏斜调 度技术， 使得芯片／ 系统的时钟偏斜大幅降低。第 ３ 代 Ｉｎ ｍ的时钟网络如图９ ｔｉ ａｕ 所示。