Haim Cohen, Freescale Semiconductor, Inc.
חלקי תדרים לשעונים הניתנים לתכנות מהווים חלק בלתי נפרד בתכנון מערכות על שבב (SoC) אשר זקוקות לשעונים בעלי תדרים שונים, באופני הרצה (run modes) שונים. מחלקי תדרים לשעוני שברים הם סוג מיוחד של מעגלי חלוקה שבהם גורם החלוקה הוא שבר. המאמר מציג מחלק תדרים של שעון שברים הניתן לתכנות, אשר משתמש ברכיבים דיגיטליים בלבד ויכול להשיג גורמי חלוקה בכפולות של 0.5. המאמר יחזק את הממצאים בעזרת דיאגרמת מעגל חשמלי ותוצאות הסימולציה.
הקדמה
מעגל חלוקת תדרים יוצר תפוקה של אות שעון (clock signal) שהתדר שלו הוא גירסה מחולקת של אות שעון הקלט. מקור אות שעון הקלט עשוי להיות הלולאה נעולת פאזה (PLL), או מתנד חיצוני למערכת על שבב. בעוד שרוב מחלקי השעון מחלקים את קלט תדר אות השעון במספר שלם (integer), לפעמים רצוי לחלק את תדר השעון בשבר. בנוסף, מאחר שאופני הרצה שונים של מערכות על שבב עשויים לדרוש שעון בעל תדרי שעון שונים, יש צורך במעגל חשמלי רב תכליתי אשר ניתן לתכנות. במאמר זה אנו מציגים מעגל חלוקת שעון שברים אשר ניתן לתכנות. יש לציין שמחלקי שברים לא יכולים להשיג מחזור פעילות (duty cycle) של 50% על ידי שימוש ברכיבים דיגיטליים בלבד.
שאר המאמר מאורגן כך: חלק 2 דן בעקרון הבסיסי ובאבני היסוד, ומוביל בסופו של דבר למעגל החלוקה המוצג. חלק 3 מתאר סימולציות לצורות גל לשלוש תצורות שברים. לבסוף, המסקנות מוצגות בחלק 4.
אבני היסוד והרציונל
חלק זה דן ברציונל ובאבני היסוד ששימשו בתכנון.
רציונל התכנון
חלוקת שעון קלט על ידי גורם מחלק שברים N.5, כאשר N הוא מספר שלם, משמעותו שאות שעון התפוקה יהיה מורכב ממחצית מחזורי השעון של 2N+1. יש לציין שהמספר 2N+1 תמיד יהיה מספר שלם אי זוגי. תוצאה ישירה של ההבחנה שלעיל היא שחייבים להיות מעברים (transitions) לסירוגין בקצה החיובי ובקצה השלילי של שעון הקלט. המעגל החשמלי המוצג משתמש במעגל חשמלי דו מצבי (flip-flop) בעל שני קצוות כדי להשיג זאת. בנוסף, בהתחשב בגורם החלוקה N.5, ניתן לחשב את מספר מחצית הקצוות, כך שאות שעון התפוקה יהיה נמוך וגבוה. הטבלה שלהלן מציגה את מספר מחזורי השעון המחולקים לחצי ביחס לשעון הקלט כאשר רוצים שאות שעון התפוקה יישאר נמוך וגבוה.
פעולת המעגל החשמלי
תרשים 1 מתאר את המעגל החשמלי של מחלק תדר שעון שברים. המונה (counter) המוצג בתרשים 1 הוא מונה בינארי סינכרוני המופעל על ידי קצה כפול עם איפוס סינכרוני. ברגע שהמונה הבינארי מתחיל לספור מערך האיפוס שלו, , המשווה () Comp -1 עוקב אחר ההופעה הראשונה של המספר הבינארי (N-1) ומפיק . זה מעורר את האיפוס הסינכרוני והמונה הבינארי חוזר חזרה
ל-. כמו כן, ה-clock gating integrated cell () אשר גם הוא clock gating cell בהפעלה כפולה, מופעל. הדה-מולטיפלקסר D כעת מפסיק את פעולת Comp-1 והופך את המסלול ממונה CNT למשווה
() Comp-2 לשקוף/לברור. המשווה Comp-2 מתוכנן/מעוצב להפיק logic בהופעת N בתפוקות של המונה. זה מפעיל את ה-CGIC בפעם השניה ואנו יכולים לקבל את אות שעון התפוקה הרצוי בתפוקה של FF המעגל החשמלי הדו-מצבי בעל הקצה הכפול.
יש לציין שמאחר שהמשווה Comp-1 תוכנן לגלות/לאתר (N-1), לגורם חלוקה של 1.5, כאשר N שווה ל-1, המשווה Comp-1 יגלה/יאתר 0. מאחר שערך זה תואם לערך האיפוס של המונה CNT, המונה במקרה זה לא יוצא מאיפוס. כדי להשיג גורם חלוקה של 1.5, מעגל חשמלי חלופי מצטרף (multiplexed) למעגל החשמלי שתואר לעיל כאשר ה-select line של המולטיפלקסר מגלה/מאתר את תצורת החלוקה של N=1. מסלול זה, להשגת חלוקה ב-1.5, גם משתמש במעגל חשמלי דו מצבי בעל קצה כפול ומתואר בתרשים 1. כל המעגלים החשמליים הדו מצביים המופיעים בתרשים 1 הם מעגלים חשמליים דו מצביים המופעלים על ידי קצה כפול. בנוסף,
ה-CGIC הוא CGIC המופעל ברמה כפולה.
תחום/טווח המעגל החשמלי
המעגל החשמלי שתואר לעיל יכול לשמש לגורמי חלוקה אשר הינם כפולות של 0.5. רוחב המונה קובע את גורם החלוקה המותר המקסימלי שהמעגל יכול להשיג. על ידי שימוש במונה n-bit ניתן להשיג יחס חלוקה בין 1.5 ועד 5.{2n-1). לדוגמה, לגבי n=4 גורמי החלוקה המותרים הם 1.5, 2.5, 3.5 עד 15.5. בדומה, אם רוצים להגיע לגורמי חלוקה עד 31.5, ניתן לעשות זאת על ידי שימוש במונה בינארי המופעל על ידי קצה כפול של 5-bit, ומשווה (comparator) באותו גודל.
ממצאי הסימולציה
התרשימים 2, 3, ו-4 מתארים את צורות גל התפוקה לגורמי חלוקה של 6.5 ו-13.5, בהתאמה.
יש לציין שמלבד 1.5, מחזור הפעילות של צורות גל התפוקה נמצא ברצועה/פס של 40%-60%.
מסקנות
המעגל החשמלי המוצע משתמש במעגל חשמלי דו-מצבי בעל קצה כפול כדי להשיג חלוקה בשברים אשר הינם כפולות של 0.5. המעגל החשמלי ניתן לתכנות והעיצוב יכול להיות מורחב לגורמי חלוקה גבוהים יותר על ידי הגדלת רוחב המונה הבינארי אשר הינו בשימוש. המעגל החשמלי הוא לפיכך רב תכליתי ומשתמש רק ברכיבים דיגיטליים לצורך כך.
