H树时钟树设计

数字后端设计实现之时钟树综合实践篇时钟树综合定义时钟树综合就是指从某个clock的root点长到各个sink点的clock buffer/inverter tree。

工具试图将某个clock所属的所有sinks做到相同长度。

从概念上，我们可以得到几个要点。

图1 时钟树CTS之前你应该先搞清楚以下几点（非常重要）•clock的root点需要定义清楚。

这个可以通过create_clock来定义。

如果是create_generated_clock，它的master clock需要定义清楚。

同时要求generate clock与master clock是可以trace通的•clock 的sinks•哪些clock是同步，哪些是异步的•分析时钟结构，大致画出其结构图。

如果时钟结构比较复杂，建议编写CTS constraint，来引导工具build tree•定义好stop pin ignore pin exclude pin floating pin等•哪些clock是需要做inter-balance的衡量时钟树的几大指标合理的时钟结构能够加速Timing收敛（时钟树综合中级篇）时钟树综合（clock tree synthesis）基础篇设置DRC参数设置max_transition max_capacitance max_fanout等参数。

对于clock的max transition的设置，应该根据clock的频率来设置。

高频率的clock，需要额外设置严格点。

指定clock inverter listset_clock_tree_references -references $cts_clock_inv_listset_clock_tree_references -references $cts_clock_inv_list -sizing_onlyset_clock_tree_references -references $cts_clock_inv_list -delay_insertion_onlyclock inverter cell list的选择往往比较有讲究。

芯片物理设计龙芯中科依托中科院计算所微处理器研究中心，源源不断得到坚实的技术支持和充足的人才储备。

芯片物理设计团队先后完成龙芯1号、龙芯2C、龙芯2E 和龙芯2F等高性能通用微处理器芯片的设计，采用工艺从0.18um至90nm，最高主频已经达到GHz范围。

为了实现更高性能的设计目标，结合通用设计流程先后开发了一系列高性能设计流程及点工具，诸如基于规则H树的高性能时钟树生成（High Performance Clock Tree Generation based on Formal H Tree）、规则化设计方法学（Regular Design Methodology）等等。

目前主要设计方向为高性能SOC设计，面向90nm以下工艺（65nm、45num等），产品成果处于国内尖端水平。

近十年积累的独创性经验能帮助客户顺利完成物理设计阶段的工作。

龙芯中科以跟踪国际最新CPU技术为标准，以发展和推广龙芯自有知识产权技术为己任。

目前在自主创新高端通用CPU领域中处于领先的地位，并成为国内最有影响力的核心技术和芯片供应商，已为用户开发多款专用芯片和CPU系统。

这些产品已经成功地应用于网络、工控、安全、移动等各种领域。

公司借助在龙芯系列研发过程中掌握的核心技术，愿为行业客户提供各种基于龙芯的应用解决方案和全方位技术合作。

龙芯一号龙芯一号处理器是完全自主设计的32位RISC 结构通用微处理器，其技术参数如下表。

龙芯一号处理器的微体系结构如下图所示，它采用了寄存器重命名、动态调度、乱序执行等主流技术。

龙芯一号处理器芯片实现了批量生产，并针对市场的需求，在其基础上陆续开发出龙芯32位处理器IP 核。

有关龙芯处理器IP 核产品方面的情况，请参看“IP产品”链接。

龙芯2C龙芯2号（C版本）处理器（简称“龙芯2C”）是完全自主设计的64位RISC结构高性能通龙芯2C处理器的微体系结构如下图所示，它在结构上采用了四发射、猜测执行、动态调度等先进技术。

多级门控时钟网络设计优化探究摘要：近年来，我国信息技术和经济水平不断发展，计算机技术、移动通讯技术、多媒体技术及半导体技术等取得了飞快进步，集成电路产业在此背景下得到了迅猛发展。

在实际运行过程中，对芯片集成度及其工作效率的要求不断提升，导致门控时钟的不确定性与复杂性特征逐渐显现，加快多级门控时钟网络优化的步伐成为集成电路产业未来的发展方向。

本文就针对门控时钟网络优化常用时钟树类型展开分析，深入探究多级门控时钟网络设计优化策略，希望对相关部门开展工作有所参考。

关键词：门控时钟；网络设计；优化前言：时钟树的主要作用是降低时钟偏差，提高时钟信号同步传输到每一触发器的效率和质量。

随着集成电路制造工艺的不断缩小，时钟网络的传播延时特征逐渐增大，加强多级门控时钟网络设计优化进程，采用时钟网络公共路径比重大的混合树进行时钟树综合，可在其中增加有效的时序检查，还能确保功能的正确性，从而提高信号的逻辑深度，提升运行效率和质量。

1.门控时钟网络优化常用时钟树类型1.1树型时钟树树型时钟树顾名思义就是类似于一棵树的时钟树，不存在拓扑回路，以时钟根节点作为树根，以寄存器、存储器等时序单元作为叶节点，而拓扑结构表示树干，具体包括平衡树、H树及X树。

平衡树的结构较为简单，所占的布线布局所用资源较少，且实现方便，是目前使用较为广泛的时钟树；H树属于一种高度对称的时钟树，时钟根节点到叶节点的距离和级数相同，时钟延时也相同，但实际实施过程中，常因为各种因素难以做到完全对称，如布线拥塞、设计硬宏、布线阻挡层等，从而增加时钟偏差无法控制的可能性；X树属于H树的变型，主要采用非曼哈顿线的方式，使用诸多非90°的互连线达到降低公共路径比重的目的。

1.2网状时钟树网状时钟树的主要特点是拓扑结构存在回路或者并行驱动，将时钟信号由单一的阶段扩散遍布到整个时钟区域网络内，以鱼骨型、网格型、多脊柱型较为常见。

鱼骨型时钟树由于拓扑结构类似鱼的骨架而得名，主要从时钟根节点出发，经过多级并行预驱动的结构驱动主干，适用于矩形的模块或者芯片；网格型时钟树可以说是鱼骨型时钟树的延伸，主要用多种的横向和纵向走线来代替鱼骨型单条的主干或者多条分支，并将其覆盖到整个叶节点分布区域，使叶节点获得充足的驱动能力；多脊柱型时钟树可对设计硬宏、布局布线阻挡层等导致叶节点分布不均的情况进行针对性解决，通过对其进行优化调整，使网格能够覆盖整个时钟叶节点[1]。

一种clock mesh与H—tree混合时钟树设计方法作者：伍艳春来源：《电子技术与软件工程》2016年第06期摘要本文提出了一种clock mesh与H-tree相结合的混合时钟树设计方法，同时通过对设计中的寄存器按照一定规则进行分组并分别布局在相同大小的网格中从而具备一定的对称性和规则性，可更好的优化H-tree结构，提高H-tree的性能从而提高了整个混合时钟树的性能。

实验表明，该混合时钟树结构可显著减少时钟树长度和时钟分支间的skew，降低OCV影响。

【关键词】clock mesh H-tree 寄存器组布局 clock skew1 引言随着芯片规模的不断增大，设计复杂度的不断提升，同种工艺下对性能追求的极限化，时钟网络的分布越来越重要。

如何减小时钟skew、降低OCV影响，对时钟树综合来说，是个严峻的挑战。

业界常用的时钟树设计方法有很多种，比如H-tree、二叉树、clock mesh、鱼骨等，其中H-tree的时钟偏斜skew小，但对设计的规则性要求严格；clock mesh的时钟树长度小、延时小、OCV影响小，但局部时钟偏斜较大。

为了充分利用这两种时钟树结构的优点，本文提出了一种混合时钟树设计方法，能有效的减小时钟偏斜skew、降低OCV影响。

2 混合时钟树结构混合时钟树结构如图1所示。

它主要由三部分组成：H-tree结构pre-mesh、clock mesh、H-tree结构local tree。

因其包含不同的时钟树结构，故称之为混合时钟树结构。

该混合时钟树先通过H-tree结构将时钟源分布到clock mesh上，clock mesh上的时钟以就近原则连接到附近的local tree起点，local tree再通过H-tree结构将时钟信号分布到每个寄存器的时钟端；同时，由于local H-tree末端驱动的寄存器布局经特殊处理后具有一定的对称性，可更好的优化H-tree的性能。

数字电路设计中的时钟树设计原理
时钟树设计原理在数字电路设计中起着至关重要的作用，它主要用于在整个芯
片中分配和传递时钟信号，保证整个系统的同步性和稳定性。

时钟信号在数字电路中被广泛应用，它决定了数据的采样时间、触发时间和稳定性，是整个系统中最重要的信号之一。

时钟树设计的主要目的是传送时钟信号到整个芯片的各个部分，并确保各个部
分同时受到相同的时钟信号，避免出现时序偏差和时序冲突。

时钟树设计需要考虑到时钟信号的频率、延迟、功耗、噪声等多方面因素，以确保整个系统的性能和稳定性。

在时钟树设计中，一般会采用层次式的结构，将时钟信号从芯片的输入端传输
到各个功能模块，并通过缓存器、分频器、中继器等组件来进行时钟信号的分配和缓存，最终保证整个系统内部各个部分的同步。

时钟树设计中需要考虑的一个重要因素是时钟分配网络的拓扑结构，不同的拓
扑结构会对时钟信号的传输速度、功耗和稳定性等方面产生影响。

常见的拓扑结构包括二叉树结构、星型结构、环状结构等，根据具体的设计需求和性能指标选择合适的拓扑结构进行时钟树设计。

此外，时钟树设计中还需要考虑时钟信号的布线与布局，以减小时钟信号在传
输过程中的延迟和功耗，提高整个系统的性能。

合理的布线和布局可以降低时钟信号的传输损耗和噪声干扰，确保时钟信号能够准确、稳定地传输到各个功能模块。

总的来说，时钟树设计原理是数字电路设计中至关重要的一环，它直接影响到
整个系统的性能和稳定性。

通过合理的时钟树设计，可以确保系统内部各个功能模块的同步运行，提高系统的可靠性和性能，是数字电路设计中不可或缺的关键步骤。

时钟树综合（1）时钟树综合学习背景时钟信号是数据传输的基准，他对于同步数字系统的功能、性能、稳定性起决定性作⽤。

时钟信号通常是整个芯⽚中有最⼤扇出、通过最长距离、以最⾼速度运⾏的信号。

时钟信号必须要保证在最差的条件下，关键的时序要求能够满⾜，否则对时钟信号的任何不当的控制都可能导致紊乱情况，将错误的数据信号索存到寄存器，从⽽导致系统功能的错误。

时钟信号怎么产⽣的时钟信号源⼀般是从晶体（⽯英晶体、陶瓷晶体）产⽣的。

IC设计时通常会使⽤晶体振荡器来提供时钟源信号。

⼀般会使⽤PLL加上晶体振荡器来给芯⽚内部电路提供倍频或相位的时钟信号。

时钟信号特征时钟的周期（频率）、时钟延迟、时钟信号的不确定性是时钟的三个主要特征要素。

时钟信号延迟时钟信号延迟(latency)⼜称为插⼊延迟（insertion delay), 包括时钟源插⼊延迟和时钟⽹络插⼊延迟。

时钟源插⼊延迟是来⾃系统到当前芯⽚（当前模块）时钟根节点(clock root pin)之间的延迟，时钟⽹络插⼊延迟是时钟树的延迟。

时钟信号不确定性时钟信号的不确定性主要是有时钟信号抖动引起的，时钟抖动是先天存在的，所以在时钟树综合的时候只能考虑起影响，⽆法消除。

时钟抖动是信号实际时间与理想时间的偏差，抖动中含有确定抖动成分和随机抖动的成分【】。

时钟信号偏差时钟信号偏差是指同⼀时钟达到该时钟域内的不同寄存器之间的时间偏差，也即是skew=max(|t i−t j|)产⽣时钟偏差的原因有多种：时钟源到各个时钟端点的路径长度不同、各个端点负载不同、在时钟⽹中插⼊的缓冲器不同等。

在什么时候做时钟树综合：如下图所⽰，通常在物理设计布局完成之后布线之前进⾏时钟树综合。

在此之前所有的寄存器时钟信号是由同⼀个时钟pin驱动的，具有相同的延时的理想时钟。

已经⽣成了gatelevel 的netlist已经有⼀个初步的版图规划，每个逻辑门包括时序器件都有⼀个具体的位置。

已经基于理想时钟完成了时序优化设计。

高性能芯片设计中的时钟树优化技术时钟树是芯片设计中至关重要的一个组成部分，它负责传输时钟信号以保证芯片的正常工作。

在高性能芯片设计中，时钟树的优化技术尤为重要，可以提高芯片的稳定性、降低功耗，并保证芯片的高性能工作。

本文将介绍高性能芯片设计中的时钟树优化技术，并探讨其在芯片设计中的应用。

一、时钟树设计的重要性时钟信号是芯片工作的基准，它控制着各个功能模块的操作时序，因此时钟树设计的合理性直接影响着芯片的性能和功耗。

在高性能芯片设计中，要实现较高的工作频率和低功耗，时钟树的设计至关重要。

一个优秀的时钟树设计应具备以下几个方面的特点：1. 低时钟抖动：时钟抖动会导致芯片工作不稳定，降低性能。

通过合理的时钟树设计，可以减少时钟抖动，提高芯片的工作稳定性和可靠性。

2. 低功耗：时钟信号在芯片中的传输需要消耗功耗，较长的时钟路径和不优化的时钟树设计将导致大量的功耗浪费。

通过优化时钟树设计，可以降低功耗，提高芯片的能效。

3. 均衡和分布平衡：时钟信号在传输过程中，应该保持均衡和分布平衡，避免信号传输的不平衡导致时钟抖动和延迟问题。

二、时钟树优化的目标在高性能芯片设计中，时钟树优化的目标是实现如下几个方面的优化：1. 降低时钟路径的长度：时钟路径越短，芯片的工作频率越高，性能越好。

2. 降低时钟路径的延时：通过合理的时钟树设计，可以降低时钟路径的延时，提高芯片的工作速度。

3. 降低时钟树的功耗：优化时钟树设计，可以减少时钟信号传输过程中的功耗损耗，提高芯片的能效。

三、时钟树优化技术1. 时钟树综合：时钟树综合是时钟树优化的一项重要技术，通过对时钟信号的分析和综合，优化时钟树的结构，减少时钟路径的长度和延时。

时钟树综合工具可以根据设计需求自动完成时钟树的综合工作，生成一个最优的时钟树结构，提高芯片的性能和功耗。

2. 缓冲器插入：在时钟路径过长或者时钟分布不均衡时，可以通过插入合适的缓冲器来优化时钟树设计。

缓冲器可以提升时钟信号的驱动能力，减少时钟路径的延时和功耗。

fpga时钟树设计原则FPGA时钟树设计原则随着科技的不断发展，FPGA（Field Programmable Gate Array）在数字电路设计中的应用越来越广泛。

而时钟树作为FPGA中最重要的组成部分之一，对于整个系统的性能和稳定性起着至关重要的作用。

本文将介绍FPGA时钟树设计的原则，以帮助读者更好地理解和应用这一关键技术。

1. 时钟树的稳定性时钟信号的稳定性对于FPGA的性能至关重要。

在时钟树设计中，应采取以下措施来确保时钟信号的稳定传递：（1）降低时钟信号的抖动：抖动是指时钟信号在传输过程中产生的不稳定性。

为了降低抖动，可以采用低抖动的时钟源，并合理布局时钟信号线路，避免与其他高干扰信号线路相交。

（2）降低时钟信号的噪声：噪声是指时钟信号中的不期望的干扰成分。

为了降低噪声，可以采用低噪声的时钟源，并在布局过程中避免与高噪声信号线路相近。

2. 时钟树的延时平衡时钟树的延时平衡对于保证时序一致性和减小时序偏差至关重要。

在时钟树设计中，应采取以下措施来保持时钟信号的延时平衡：（1）合理选择时钟树拓扑结构：时钟树的拓扑结构直接影响到时钟信号的传播延时。

一般来说，采用层次化的拓扑结构可以有效减小时钟信号传播的延时差。

（2）采用缓冲器和驱动器：缓冲器和驱动器可以用来调整时钟信号的驱动能力和传播延时，从而实现时钟信号的延时平衡。

3. 时钟树的功耗优化时钟树的功耗优化对于提高系统的能效至关重要。

在时钟树设计中，应采取以下措施来降低功耗：（1）合理选择时钟树的频率：时钟树的频率直接影响到功耗的消耗。

一般来说，较低频率的时钟信号可以降低功耗，但也会影响系统的性能。

（2）采用时钟门控技术：时钟门控技术可以根据需要对时钟信号进行开关控制，从而降低时钟信号的功耗。

4. 时钟树的布局与布线时钟树的布局与布线对于保证时钟信号的稳定传递和延时平衡至关重要。

在时钟树设计中，应采取以下措施来优化布局与布线：（1）合理布局时钟信号线路：时钟信号线路应尽量短且对称，避免与其他信号线路相交，减小互相干扰。

时钟树总结引言在现代集成电路设计中，时钟树是非常重要的组成部分。

时钟信号被用于同步电路中的各个部分，确保各个部件在正确的时间进行操作。

时钟树的设计和优化对于电路的性能和功耗具有重要的影响。

本文将总结时钟树的基本概念、设计和优化方法。

时钟树基本概念时钟树是由时钟发生器、时钟网络和时钟接收器组成的，用于传输时钟信号到整个电路的各个部分。

时钟发生器产生基准时钟信号，时钟网络将信号传输到各个时钟接收器。

时钟树的主要目标是提供一个稳定的时钟信号，使整个电路以正确定时进行操作。

时钟信号的稳定性可以通过降低时钟树的延迟、抖动和功耗来实现。

时钟树设计方法时钟树设计需要考虑以下几个因素：1. 时钟频率时钟频率是指每秒内时钟信号的周期数。

它决定了系统的工作速度和性能。

时钟频率越高，系统的运行速度越快，但也会带来更大的功耗和噪声。

2. 时钟网络拓扑时钟网络拓扑决定了时钟信号的传输路径和延迟。

常见的时钟网络拓扑包括树状结构、网状结构和环形结构。

不同的拓扑结构会对时钟信号的传输速度和功耗产生影响，选择合适的拓扑结构是时钟树设计的关键。

3. 时钟缓冲器的布局和参数选择时钟缓冲器用于放大、增强和传输时钟信号。

时钟缓冲器的布局和参数选择会直接影响时钟信号的稳定性和功耗。

合理选择时钟缓冲器的位置和参数是时钟树设计的重要一环。

4. 时钟树的功耗和抖动优化时钟树的功耗和抖动是设计过程中需要优化的指标。

功耗优化可以通过选择合适的缓冲器和优化时钟网络的结构来实现。

抖动优化可以通过减小时钟信号的传输路径和优化时钟缓冲器的参数来实现。

时钟树优化方法时钟树的优化方法主要包括以下几个方面：1. 延迟优化通过减小时钟信号的传输路径和优化时钟缓冲器的参数，可以减小时钟树的延迟。

延迟优化可以提高时钟信号的稳定性和电路的工作速度。

2. 抖动优化抖动是时钟信号波形的不稳定程度，影响时钟信号的精确性。

通过减小时钟信号的传输路径和优化时钟缓冲器的参数，可以减小时钟树的抖动。