JP4557230B2 - チップ、マイクロプロセッサーチップ、システム - Google Patents

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Description

本願発明は、発生器クロックを供給するクロック発生器を有するチップ、マイクロプロセッサーチップ、システムに関する。
マイクロプロセッサーのような近年の集積回路(IC)では、他の素子間の回路スイッチングによる電源ノイズを抑制することが、一層困難になっている。例えば、クロックゲートは、平均電力消費を制御する一般的な方法である。しかしながら、残念なことに、素子の大部分がオン又はオフに切り替えられると、大きな電流の変化が生じ得る。それにより、電源回路の応答(例えば、電圧降下)を引き起こす。クロック分配網により駆動される回路は、このような降下の間、高周波数で動作能力が低下する。一方で、位相ロックループ(PLL)周波数発生器のようなクロック発生器は、それらの目標の周波数において動作し続けるよう設計され得る。この不調和を是正するいくつかの従来の解決法には、クロックにより駆動される回路がそのような降下の間に安定して動作し得るよう、全体的に低下した目標周波数でクロック発生器を動作する方法がある。新たな方法が望まれる。
クロック発生器は、一般に、位相ロックループ(PLL)周波数合成器を利用し、電源スパイク及びノイズに対し回復力のある、堅調な一定周波数源を生成する。残念なことに、大きな電源降下により、(マイクロプロセッサーコアのような)回路は、正常な機能が失われ、正常な周波数レベルで正しく動作できなくなり得る。従って、電源降下の間、このような回路は、PLLにより生成された周波数で動作不可能になり得る。
本願発明は、発生器クロックを供給するクロック発生器を提供する。
本願明細書で開示されるいくつかの実施例では、電源降下が生じている間、クロック発生源は、PLL発生器から、電源レベルに従う周波数を有する補助発振器へ切り替えられ得る。従って、電源降下を低減する。
本願発明の実施例は、添付の図面に例として図示されるが、これらに限定されない。また、複数の図面で、類似の参照符号を用い同様の要素を参照する。
図1A及び図1Bを参照する。クロック発生器100は、クロック分配網110と結合され、クロック分配網110に発生器クロック(CLK OUT)を供給する。クロック発生器100は、一般に、第1のクロック源(PLL102)、選択制御回路104、第2のクロック源(遅延線106を有する補助発振器105)及びマルチプレクサ(mux)108を有する。これらの要素は互いに図示されるように結合されている。クロック発生器100は、入力において、PLL102により利用される基準クロック信号(REF CLK)を受信し、そして出力において、発生器クロック(CLK OUT)を生成する。
図1Bに示されるように、PLLは、実質的に一定の周波数(FPLL)を生成する。一定の周波数(FPLL)は、代わりの第2のクロック源が電源電圧降下の間に利用できない場合にあるべき値(例えば、FPLL OLD)より高い値であり得る。第2のクロック源(補助発振器105)の周波数(FOSC)は、実質的に電源のレベルに従う。従って、FOSCは、PLL周波数より下に降下すると(電源降下を示す)、補助発振器105は、PLLの代わりにクロック発生器100のクロック源として切り替えられる。反対に、補助発振器の周波数(FOSC)がPLLの周波数より上に回復すると、PLLは、クロック発生源として切り替え直される。
図示されたマルチプレクサ108は、2:1マルチプレクサである。マルチプレクサ108は、出力、第1及び第2の入力、並びに選択制御回路104と結合されマルチプレクサの出力と結合されるべき第1又は第2の入力を選択する制御入力を有する。PLL102は、マルチプレクサの1つの入力と結合される。マルチプレクサの他の入力は、遅延線106の出力と結合される。遅延線106の入力は、マルチプレクサ108の出力であるクロック発生器の出力と結合される。選択制御回路は、マルチプレクサ108の制御入力と結合され、更にPLL102の出力及び遅延線106の出力とも結合され、それらのクロック(FPLL及びFOSC)を監視する。
PLL102は、如何なる適切なPLL回路を有し、入力基準クロックに従うPLL出力クロックを生成するよう実施されて良い。いくつかの実施例では、PLLは、電源からのノイズを適度に除去されたクロック信号を生成する。同様に、遅延線106は、如何なる適切な回路を有し実施されて良い。図示された実施例は、奇数個の縦列段を有し、PLL出力クロックを正常動作状態に導くクロックを生成するため、適切な遅延(例えば、2分の1又は1と2分の1周期)を提供する。遅延線106は、クロック分配網110内の1つ以上の関連回路に電力を供給する電源(例えば、電源電圧)により電力を供給される。このように、遅延線106は、クロック分配網又はマイクロプロセッサーコア内の関連回路の電源レベルに逆比例する遅延を供給する。遅延されたPLL出力の生成は、(PLLがマルチプレクサにおいて選択された場合)(例えば、ヒューズトリミングを介して)調整し得るので、PLL出力クロックを適正に導く。電源レベルが低下すると遅延量が増大し、電源降下が十分大きい場合、その周波数(FOSC)を最終的にPLL周波数より遅れさせる。これは、概略が図1Bに示され、より詳細には図2B(以下に説明される)に示される。
動作中、選択制御回路104は、PLL及び遅延線の出力において生成された周波数を監視し、そしてどちらが進んでいるかを決定する。遅延線106は、通常動作時に、PLL信号周波数より進むよう構成される。この間、選択制御回路104は、マルチプレクサを制御し、PLLをクロック発生器のクロック源として選択し、クロック出力(CLK OUT)信号を供給する。
電源降下が生じると、遅延線が出力する周波数(FOSC)は低下する。電源降下が十分大きいと、FOSCは最終的にPLL周波数より遅れ始める。選択制御回路104は、これを検出し、マルチプレクサ108にPLLの代わりに遅延線の出力を選択させる。この選択が生じると、遅延線106の入力は、遅延線106の出力と結合される。従ってループは閉じられ、リング発振器が形成される。リング発振器は、クロック生成器の出力においてクロックを生成する。生成された周波数(FOSC)は、一般に電源レベルに従い、当該クロック分配及びマイクロプロセッサーコア回路が処理可能なクロックを供給する。
図2A及び2Bは、いくつかの実施例によるクロック発生器100、特に選択制御回路104のより詳細な実装を示す。選択制御回路104は、一般に第1の位相検出器202、第2の位相検出器203、及びR/Sラッチ212を有する。第1の位相検出器202の出力は、R/Sラッチ212のセット(Set)入力と結合される。同時に第2の位相検出器203の出力は、ラッチのリセット(Reset)入力と結合される。一方、R/Sラッチの出力は、マルチプレクサ108の制御入力と結合され、PLL又は補助発振器(遅延線106)の何れかを選択し、クロック発生器の出力を通過させる。(留意すべき点は、遅延線及び補助発振器の用語が、便宜上同義的に用いられ得ることである。しかしながら、この実施例では、遅延線は、遅延線の出力がマルチプレクサを介して遅延線の入力と結合されるまで発振器を形成しないことが理解される。)
第1の位相検出器202は、補助発振器の周波数(FOSC)がPLL周波数(FPLL)を下回った時を検出する。この周波数の逆転が生じると、第1の位相検出器202は、R/Sラッチを設定し、マルチプレクサ108を制御しPLLの代わりに遅延線106を選択する。これにより、補助発振器105を確立させ、クロック発生器の出力にクロックを提供する。
第2の位相検出器203は、補助発振器の周波数が回復しPLL周波数を上回った時を検出する。この周波数の逆転が生じると、第2の位相検出器203は、R/Sラッチ212をリセットし、マルチプレクサ108を制御し再びPLLをクロック発生器の出力に選択する。
第1の位相検出器は、位相及び/又はPLLと補助発振器の信号間の周波数の差分を検出する如何なる適切な回路を有し実施されて良い。図示された実施例では、位相検出器202は、フリップフロップ(例えばDフリップフロップ)型の検出器を有し実施される。各周期の間、位相検出器202は、PLLのエッジが最初に到来するとアサートされ、補助発振器のエッジが最初に到来するとアサート解除される。従って、図2Bに示されるように、通常動作状態では(「Swap」はアサート解除され、及びFOSCはFPLLを上回っている)、遅延線のエッジは、位相検出器202に最初に到来し、従ってR/Sラッチ210の出力をアサート解除に維持し、PLLをクロック発生源として選択する。しかしながら、FOSCがFPLLより遅れた場合、位相検出器202はアサートし、従ってR/Sラッチ210を設定し、PLLの代わりに遅延線(補助発振器)をクロック源として選択させる。これは、図2BのSwap信号のLowからHighへの遷移により示される。第1の位相検出器202のアサートはまた、循環型位相検出器203を活性化する。循環型位相検出器203は、電源が降下から回復しそしてFOSCの累積された位相がFPLLの累積された位相と再び合うクロスバックポイントを追跡し始める。
第2の位相検出器203は、補助発振器の累積された位相がPLLの累積された位相と交差する(再び上回る)時を検出する、如何なる適切な回路を有して良い。正しい時にシームレスに且つ誤動作無しにクロックを切り替えることが望ましい。図示された実施例では、起動されると、このような複数の周期に亘る変化を検出可能な循環型位相検出器が利用される。循環型位相検出器203は、一般にマルチプレクサ204A/B、フリップフロップ206A/B、位相検出器(例えば、第1の位相検出器に利用される種類)208、及びNANDゲート210を有する。これらは図示されるように互いに結合される。循環型位相検出器203は、第1及び第2(「A」及び「B」)の部分に分割される。各部分は、1つ以上の互いに縦列に結合されたフリップフロップ段206A/Bと結合された、マルチプレクサ204A/Bを有する。フリップフロップ段206A/Bの出力は、再びマルチプレクサと結合される。マルチプレクサ204A/Bの入力には、固定された「1」及び「0」の入力が印加される。各フリップフロップ段206A/Bの出力はまた、関連する位相検出器208と結合される。そして各位相検出器208の出力は、NANDゲート210の入力と結合される。NANDゲート210の出力は、R/Sラッチ212のリセット入力と結合される。
第1の循環型部分(「A」部分)は、PLLクロック(FPLL)に従う。同時に第2の循環型部分(「B」部分)は、補助発振器クロック(FOSC)に従う。最初に、例えば起動時、フリップフロップ連鎖206A/Bは、アサート解除(「0」)状態にリセットされる。そして位相検出器208の出力はアサートされ、NANDゲート210をアサート解除させる。通常動作状態では(つまり、PLLがクロック発生器の出力を供給し、及びFPLLがFOSCを上回っている)、各マルチプレクサ204A/Bにおいて「0」入力が選択され、「0」は各部分を循環する。しかしながら、第1の位相検出器202がアサートすると(補助発振器の周波数がPLLの周波数を下回ると)、マルチプレクサ204A/Bは「1」入力を選択する。これにより、1周期幅のトークン(「1」)は、各フリップフロップ連鎖を通過する。実質的に、第1及び第2の連鎖の間の「トークン」の競争が生じる。FOSC及びFPLLの位相は、図2Bに斜めの線により示されるように、対毎に繰り返し比較される。この比較が生じると、各位相検出器208の出力は、どちらの連鎖のトークンが、所与の位相検出器において最初にアサートするかに依存する。これは、どちらのクロック(FOSC又はFPLL)のエッジがその位相検出器208段のフリップフロップに最初に到来するかに依存する。(位相検出器208の出力の初期状態は、Highである。)PLLのクロックは、通常、最初は進んでいるので、そのフリップフロップをアサートし、そしてその段の位相検出器208をHighに維持する。しかしながら、補助発振器のクロック周波数が再びPLLの周波数を上回った後、どこかで下回ると、こうして累積された位相は、PLLの累積された位相より進む。これは、最初にフリップフロップの1つをアサートさせ、次に関連する位相検出器208をLowにする。これにより、NAND出力はアサートされる。次にR/Sラッチ212はリセットされる。この結果、R/Sラッチの出力は再びマルチプレクサ108を制御し、PLL102をクロック発生器の出力の信号源として選択する。これは、図2BのSwap信号が再びLowになることにより示される。
留意すべき点は、この実施例では、第2の(循環型)位相検出器203が、4個の位相検出器208段を有するので、4周期まで追跡できることである。個別の設計の検討によるが、しかしながら、より多くの又はより少ない段が実施され得る。更に、本願発明は、第2の位相検出器回路の特定の実装に制限されないことが理解されるべきである。遅延時間、正確な追跡等のような個別の設計の検討により、選択制御回路104に他の適切な回路が用いられ得る。以下に、別の実施例を説明する。
図3A及び図3Bは、いくつかの他の実施例によるクロック発生器300を示す。クロック発生器300は、クロック発生器100と同様であるが、異なる選択制御回路304、大きい遅延(例えば、1周期)及び選択制御回路304へのタップオフフィードバック(例えば、4分の3周期)を有する遅延線306、並びにマルチプレクサの代わりにハイブリッド完成回路316を有する点が異なる。(図4は、いくつかの実施例によるハイブリッド完成回路316を示す。)
遅延線306における1周期の遅延は、より大きい遅延耐性を提供する(例えば、種々の遅延の長さを提供し、異なる周波数閾値に調整する)。ハイブリッド完成回路は、自動切り替えを可能にする。つまり、近距離の(例えば、4分の1周期まで)切り替えは、完成回路316により自動的に実行され、選択制御回路304を待つ必要がない。完成回路316は、位相が遅れて到来した(つまり、他より遅い信号)FPLL又はFOSCの何れかのクロック信号を通過させる。この「シームレスな」切り替えは、選択制御回路304が準安定を処理するためのいくらかの時間を獲得する。図示された実施例では、準安定耐性は、選択制御回路304で拡張される。選択制御回路304には、第1の位相検出器302に2つのフリップフロップ、及びNANDゲート210とR/Sラッチ212の間に更に2つのフリップフロップ、及び遅延線306において3分の4タップが追加されている。完成回路316の利用により、選択制御回路304からの位相検出は、大きなウインドウに亘る動作(例えば、降下後0.25周期まで)を必要としない。
図4は、いくつかの実施例によるハイブリッド完成回路316を示す。完成回路316は、オーバーライド信号(FPLLオーバーライド及びFOSCオーバーライド)がインアクティブ(Low)になると、従来のCエレメントとして動作する。何れかのオーバーライド信号に合わせることにより、結果として対応する入力を無視し、従って回路を他の入力信号のインバーターに変える。従って、図示された実施例では、FOSCオーバーライド入力はLowに設定され、及びFPLLオーバーライド入力はSwap信号と(R/Sラッチ212の出力で)結合される。
このように、通常動作では(電源が降下していない場合)、Swap信号はLowである。その結果、ハイブリッド完成回路316は、従来の完成回路として動作する。(FOSC及びFPLLから)到来する最新のクロックエッジは、出力と結合する。従って、通常状態(遅延線のクロックがPLLクロックより進んでいる)では、PLLは、クロック発生器300のクロック源として機能する。一方、電圧降下の間、遅延線のクロックがPLLのクロックより遅れている場合、完成回路316は、PLLのクロックの代わりに、遅延線の出力をクロック発生器の出力と効果的に結合する。その間、電圧降下が持続すると(例えば、4分の1周期後)、第1の位相検出器302は、クロスオーバーを検出し、そしてSwap信号をHighにし、従ってFPLLオーバーライドをアサートし、結果として、位相差が完成回路316の範囲外になる時まで遅延線の出力をクロック発生器の出力と結合する。従って、(遅延線に結合された)補助発振器は、降下が生じている間、FOSCの累積位相が再びFPLLより進み、そしてSwap信号を再びLowにし、回路が以上に説明したように動作するまで、クロック発生源として機能する。
図5は、コンピューターシステムのある例を示す。図示されたシステムは、一般にプロセッサー502を有する。プロセッサー502は、電源504、無線インターフェース506、及びメモリー508と結合される。プロセッサー502は、電源504と結合され、動作中に電源504から電力を受信する。プロセッサー502は、無線インターフェース506及びメモリー508と個別のポイント・ツー・ポイント接続で結合され、それぞれの構成要素と通信する。プロセッサー502はまた、本願明細書に開示された本願発明のクロック発生回路により構成された、1つ以上のクロック発生回路503を有する。例えば、クロック発生器503は、クロック信号をマイクロプロセッサー502内のコアへ供給するよう結合され得る。無線インターフェースは、プロセッサー502を例えば無線ルーターを通じて無線網と通信可能に接続するよう機能する。
留意すべき点は、図示されたシステムが、異なる形式で実施され得ることである。つまり、図示されたシステムは、単一のチップモジュール、回路基板、又は複数の回路基板を有する筐体に実装され得る。同様に、図示されたシステムは、1つ以上の完全なコンピューターを構成し得る。又は、代案として、図示されたシステムは、計算システム内で利用される構成要素を構成し得る。
本願発明は、説明された実施例に制限されないが、請求の範囲の精神と範囲に含まれる変更及び代替と共に実施され得る。例えば、本願発明は、全ての種類の半導体集積回路(IC)チップを有する利用に適用可能であることが明らかである。これらICチップの例は、プロセッサー、コントローラー、チップセット部品、プログラム可能なロジックアレイ(PLA)、メモリーチップ、ネットワークチップ、等を包含するが、これに制限されない。
更に、例として大きさ/型/値/範囲が与えられ得るが、本願発明はこれらに制限されないことが明らかである。製造技術(例えば、フォトリソグラフィ)は、時間の経過と共に進歩するので、より小型の装置が製造され得る。更に、よく知られているICチップ及び他の部品への電源/接地接続は、図及び説明の簡略化のため、及び本願発明の不明瞭化を回避するため、図中に示される場合も示されない場合もある。更に、構成は、本願発明を不明瞭にするのを避けるため、また、そのようなブロック図の構成の実装に関する詳細事項は本願発明が実施されるべきプラットフォームに大きく依存するという事実から、ブロック図の形式で示されない。つまりこのような詳細事項は、当業者には明らかである。詳細事項(例えば、回路)は、本願発明の実施例の説明を目的として説明されたが、当業者には、本願発明は、これら詳細事項を用いず実施され得ること、又はこれら詳細事項の変形を用いて実施され得ることが明らかである。従って、本願明細書の記載は説明であり、制限ではない。
いくつかの実施例による、本願発明のクロック発生システムのブロック図である。 動作電源レベル及びいくつかの実施例による図1Aのシステムのクロック発生源周波数を示すグラフである。 いくつかの実施例による、図1のシステムにおける利用に適した、クロック発生システムのブロック図である。 いくつかの実施例による、図2Bのシステムの動作を示すタイミング図である。 クロック発生システムの別の実施例のブロック図である。 いくつかの実施例による、図3Aのシステムの動作を示すタイミング図である。 いくつかの実施例による、図3Aのシステムにおける利用に適した、完成回路のブロック図である。 いくつかの実施例による、本願発明のクロック発生システムを有するコンピューターシステムのブロック図である。
符号の説明
100、503 クロック発生器
102 PLL
104、304 選択制御回路
105 補助発振器
106、306 遅延線
108、204A/B マルチプレクサ
110 クロック分配網
202 第1の位相検出器
203 第2の位相検出器(循環型位相検出器)
206A/B フリップフロップ
208 位相検出器
210 NANDゲート
212 R/Sラッチ
302 第1の位相検出器
316 完成回路
502 マイクロプロセッサー
504 電源
506 無線インターフェース
REF CLK 基準クロック信号
CLK OUT 発生器クロック

Claims (13)

  1. チップであって、
    実質的に安定な第1のクロックを供給する第1のクロック源、
    実質的に電源に従う周波数を有する第2のクロックを供給する第2のクロック源、
    前記第1及び第2のクロックの間の位相差に基づき前記第1又は第2のクロックの一方を選択する選択制御回路、
    前記選択制御回路が行った選択に従い、前記第1又は第2のクロックの一方を出力するマルチプレクサ、
    を有し、
    前記第2のクロック源は、前記マルチプレクサの出力と前記マルチプレクサの入力の間に結合された遅延線を有し、前記第2のクロックを供給するリング発振器である、
    ことを特徴とするチップ。
  2. 前記第1のクロック源は、前記第1のクロックを供給するPLL回路を有する、請求項1記載のチップ。
  3. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より進んでいる場合に、前記第1のクロックを選択する、請求項1記載のチップ。
  4. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より遅れている場合に、前記第2のクロックを選択する、請求項3記載のチップ。
  5. マイクロプロセッサーチップであって、
    クロック分配網と結合され前記クロック分配網に発生器クロックを供給するクロック発生器を有する少なくとも1つのコア
    を有し、
    前記クロック発生器は、
    前記クロック分配網へ、第1のクロックを供給する第1のクロック源及び少なくとも間接的に電源に従う周波数を有する第2のクロックを供給する第2のクロック源、
    前記第1及び第2のクロックの間の位相差に基づき前記第1又は第2のクロックの一方を選択する選択制御回路、
    前記選択制御回路が行った選択に従い、前記第1又は第2のクロックの一方を出力するマルチプレクサ、
    を有
    前記第2のクロック源は、前記マルチプレクサの出力と前記マルチプレクサの入力の間に結合された遅延線を有し、前記第2のクロックを供給するリング発振器である、
    ことを特徴とするマイクロプロセッサーチップ。
  6. 前記第1のクロック源は、前記第1のクロックを供給するPLL回路を有する、請求項5記載のマイクロプロセッサーチップ。
  7. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より進んでいる場合に、前記第1のクロックを選択する、請求項5記載のマイクロプロセッサーチップ。
  8. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より遅れている場合に、前記第2のクロックを選択する、請求項7記載のマイクロプロセッサーチップ。
  9. システムであって、
    (a)クロック分配網と結合されたクロック発生器を有する少なくとも1つのコアを有し、前記クロック分配網に発生器クロックを供給するマイクロプロセッサーであって、
    前記クロック発生器は、
    前記クロック分配網へ、第1のクロックを供給する第1のクロック源及び少なくとも間接的に電源に従う周波数を有する第2のクロックを供給する第2のクロック源、
    前記第1及び第2のクロックの間の位相差に基づき前記第1又は第2のクロックの一方を選択する選択制御回路、
    前記選択制御回路が行った選択に従い、前記第1又は第2のクロックの一方を出力するマルチプレクサ、
    を有する
    マイクロプロセッサー、及び
    (b)前記マイクロプロセッサーと結合され、前記マイクロプロセッサーを無線網と通信可能に接続する、無線インターフェース、
    を有し、
    前記第2のクロック源は、前記マルチプレクサの出力と前記マルチプレクサの入力の間に結合された遅延線を有し、前記第2のクロックを供給するリング発振器である、
    ことを特徴とするシステム。
  10. クロック発生器を有するチップであって、
    前記発生器は、
    実質的に安定した第1のクロックを供給する手段、及び
    実質的に電源に従う周波数を有する第2のクロックを供給する手段、
    前記第1及び第2のクロックの間の位相差に基づき前記第1又は第2のクロックの一方を選択する選択制御回路、
    前記選択制御回路が行った選択に従い、前記第1又は第2のクロックの一方を出力するマルチプレクサ、
    を有
    前記第2のクロックを供給する手段は、前記マルチプレクサの出力と前記マルチプレクサの入力の間に結合された遅延線を有し、前記第2のクロックを供給するリング発振器である、
    ことを特徴とするチップ。
  11. 前記第1のクロックを供給する手段は、PLL回路を有する、請求項10記載のチップ。
  12. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より進んでいる場合に、前記第1のクロックを選択する、請求項10記載のチップ。
  13. 前記選択制御回路は、前記遅延線に生成された周波数が前記PLLの出力より遅れている場合に、前記第2のクロックを選択する、請求項12記載のチップ。
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