[科普中国]-动态时钟频率调整

动态时钟频率调整，即通过软件动态地改变电路模块的工作时钟频率,以达到降低功耗、减少散热,延长电路模块使用寿命等作用。

动态时钟频率调整的作用在如今电子电路的飞速发展中,具有十分重要的意义。首先便是电路功耗的减小。众所周知,电路工作频率越低,功耗就越小。因此,在电路负荷比较轻的时候,可以相应降低其工作频率,从而降低功耗。同时,如果频率改变,也会影响电路模块的实际电压,工作频率和实际电压同时降低,可以进一步减少电路模块的功耗。动态时钟频率调整技术的另一个显著优点是能够减少电路的散热。显然,这个优点还能同时延长电路的寿命1。

电路中引入时钟频率动态重置技术,除了以上两个共同的优点外,在不同的使用环境、电路功能的情况下,还能产生相应的额外得益。例如,在带有散热风扇的电路模块中,可以将散热风扇做成变速风扇,在电路工作频率较低,散热较少的时候,降低风扇转速,不但可以减少风扇的功率消耗,进一步降低整体电路的功耗,还能减小风扇带来的噪音。若应用在笔记本电脑中,还可延长电池一次充电后的使用时间。

总之,动态时钟频率调整技术越来越受到研究者甚至用户的重视,越来越完善的重置技术也已经应用到不同的领域。不论为开发商、生产商带来巨大利益,对拍通用户来说,也是一条节能的有效途径。

动态时钟频率调整的方法采用公司的一系列芯片,来实现时钟频率的动态重置。一芯片中,每个时钟管理模块,包含有两个混合模式时钟管理器（Mixed-Model Clock Manager,MMCM）。MMCM可以通过它的动态重置端口，动态地改变时钟的输出频率、相移以及占空比。每个MMCM有7时钟输出端口,可将其接入不同的电路模块,从而为不同模块提供时钟信号。只需实现动态改变时钟的输出频率,相移及占空比固定不变。

将DRP和MMCM原型两个模块相连。用户可直接设置需要改变时钟频率的输出端口地址以及频率值。SRP可用状态机驱动,将接收到的用户数据按顺序传送给MMCM模块,从而动态完成时钟频率调整。

MMCM动态调整时钟频率的原理MMCM的结构图如图所示。输入时钟进入MMCM模块,首先通过一个多路复用器。多路复用器可在两个输入时钟源中进行选择,被选中的时钟信号首先经过一个分频器（D）进行分频。输入时钟信号和反馈时钟信号的上升沿到来时,相位一频率检测器一,比较两个时钟的频率以及相位,并产生一个比例信号给后面的充电泵(Change Pump,CP)和环路滤波器(Loop Filter,LF)。后两者再产生一个参考电压给VCO。PFD还需要根据输入时钟和反馈时钟,产生一个上升或者下降的信号给CP和LF,VCO以此来升高或者降低产生的时钟频率。例如,VCO输出时钟频率过高时,PFD产生一个下降信号,降低VCO的控制电压,从而减小时钟频率。而PFD产生的比例信号,则可以决定频率改变的大小1。

反馈时钟信号则需要经过一个倍频器(M)再到达PFD,这样,倍频器也相应改变了MMCM输出时钟的频率,增大了频率改变范围。此外,每个有7个时钟输出端口,每个MMCM输出端口又分别对应一个分频器。因此,每个时钟端口都可以独立的改变其频率(O),不但进一步扩大了频率变化范围,还大大增强了MMCM频率重置的灵活性。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学