Clock tree: differenze tra le versioni

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[[File:clock distrib.png|thumb|left|300pxright|Descrizione ideale di come il clock debba raggiungere ogni cella sequenziale del circuito integrato a partire da una radice comune. In questo disegno si considera il tempo di propagazione del clock dalla sua radice CK alla singola foglia come pari a zero.]]

[[File:clock tree with buffers.png|thumb|right|Descrizione qualitativa di come un albero di clock tree possa essere realizzato.]]

[[File:Clock after CTS.PNG|thumb|right|450px|In questa immagine invece si vede come il progettista abbia ormai inserito le celle di buffering che permettono di bilanciare il clock. L'inserimento del clock tree è stato completato.]]

[[File:Ideal clock.png|thumb|left|450pxright|Il clock tree, visto da uno strumento software di sviluppo, in uno stadio preliminare, prima della CTS]]

ilIl [['''clock|segnale tree''' ('''rete di distribuzione del clock''' in [[lingua italiana|italiano]]) viene usatoutilizzato in un circuito digitale sincrono per definire il tempo di riferimento per il movimento dei dati allinternoall'interno del sistema. LaDistribuisce '''rete di distribuzione del clock''' (detta anche,più comunemente anche se meno precisamente, '''albero del clock''' o all'inglese '''clock tree''') distribuisceinfatti il segnale di temporizzazione (o i segnali di temporizzazione a partire da un punto comune, (ladetta '''"radice del clock'''") a tutti gli elementi che ne hanno bisogno. Questi elementi, in generale, sono gli [[circuito sequenziale|elementi sequenziali]].

L'espressione '''clock tree''' è un termine tecnico di difficile traduzione nella [[lingua italiana]]. Come moltissimi termini tecnici nell'ambito dell'elettroinca esso viene mutuato dall'inglese e tradotto in vari modi:

* albero del clock

* clock tree

* clock mesh

In questa voce noi useremo il termine indicato nel titolo, anche se l'espressione che meglio esprime questa struttura fondamentale dell'elettronica digitale è '''rete di distribuzione del clock'''.

== DescrizioneMotivazioni ==

InOgni riferimentomacchina aglia stati cambia il suo stato in base a due elementi: il suo stato attuale e lo stato dei suoi ingressi. All'interno degli [[automa a stati finiti|automi a stati finiti]], focalizziamoed ora la nostrain attenzioneparticolare suglidegli automi sincroni;, gli elementi elencati or orasopraelencati modificano effettivamentei glipropri accessistati soltanto in istanti predefiniti. QuestiQuegli istanti sono definiti dalda nostroun segnale speciale, il [[clock]].

In un [[circuito digitale sincrono|circuito sincrono]],

il [[clock|segnale del clock]] viene usato per definire il tempo di riferimento per il movimento dei dati allinterno del sistema. La '''rete di distribuzione del clock''' (detta anche,più comunemente anche se meno precisamente, '''albero del clock''' o all'inglese '''clock tree''') distribuisce il segnale di temporizzazione (o i segnali di temporizzazione a partire da un punto comune (la '''radice del clock''') a tutti gli elementi che ne hanno bisogno. Questi elementi, in generale, sono gli [[circuito sequenziale|elementi sequenziali]].

[[File:clock distrib.png|thumb|left|300px|Descrizione ideale di come il clock debba raggiungere ogni cella sequenziale del circuito integrato a partire da una radice comune. In questo disegno si considera il tempo di propagazione del clock dalla sua radice CK alla singola foglia come pari a zero.]]

[[File:clock tree with buffers.png|thumb|right|300px|Descrizione qualitativa di come un albero di clock tree possa essere realizzato. In questa figura i rettangoli rappresentano gli elementi sequenziali, mentre i triangolini rappresentano i buffer non invertenti; i buffer forniscono la necessaria amplificazione al segnale di clock affinché l'albero risulti perfettamente bilanciato.]]

=== Motivazioni ===

Ogni macchina a stati cambia il suo stato in base a due elementi:

* lo stato attuale

* i suoi ingressi

In riferimento agli [[automa a stati finiti|automi a stati finiti]], focalizziamo ora la nostra attenzione sugli automi sincroni; gli elementi elencati or ora modificano effettivamente gli accessi soltanto in istanti predefiniti. Questi istanti sono definiti dal nostro segnale speciale, il [[clock]].

Affinché ogni parte del circuito commuti insieme alle altre, il segnale di [[clock]] deve giungere contemporaneamente ad ogni elemento che ne necessita. Per ottenere questo risultato, che implica la contemporaneità nel campionamento, è necessario introdurre delle strutture che garantiscano una uniforme propagazione del segnale di clock. Infatti, due elementi sequenziali (per esempio due [[flip-flop]]) possono trovarsi a distanze diverse dal punto in cui viene originato il segnale; i diversi tempi di propagazione che si avrebbero vanno necessariamentequindi compensati mediante l'inserimento di specifici circuiti chiamati [[buffer non invertente|buffer non invertenti]].

Affinché ogni parte del circuito commuti insieme alle altre, permettendo in questo modo un'evoluzione sincrona della macchina ed una transizione pulita verso il nuovo stato, il segnale di [[clock]] deve giungere contemporaneamente ad ogni elemento che ne necessita.

== Implementazione ==

Per ottenere questo risultato, la contemporaneità nel campionamento, è necessario introdurre delle strutture che garantiscano una uniforme propagazione del segnale. Infatti, due elementi sequenziali (per esempio due [[flip-flop]]) possono trovarsi a distanze diverse dal punto in cui viene originato il segnale; i diversi tempi di propagazione che si avrebbero vanno necessariamente compensati mediante l'inserimento di specifici circuiti chiamati [[buffer non invertente|buffer]].

La realizzazione del clock tree è una materia molto critica dal punto di vista industriale. Il cosiddettoCTS (ossia "clock tree synthesis", '''"inserimento del clock tree'''" dettoin ancheitaliano) '''CTS'''può (ossiadeterminare clockvariazioni treegrandi synthesis)nelle prestazioni di un circuito digitale.

Vengono utilizzati a questo scopo strumenti di progettazione assistita dal computer (CAD) che si avvalgono di algoritmi complessi per la realizzazione di ''"alberi bilanciati''", ossia alberi costituiti da interconnessioni metalliche a da [[buffer non invertente|buffer]] mediante i quali le ''"foglie''" risultinorisultano essere sincronizzate. Nel risolvere questo tipo di problemi si devono sviluppare [[algoritmo|algoritmi]] che permettano di massimizzare in velocità e contemporaneamente equalizzare tutti i rami.

=== ImplementazioneVarianti ===

* ''Clock tree realizzati tramite [[invertitore|invertitori]]'': dal punto di vista logico, se il numero delle inversioni è pari allora il segnale non cambia; si tratta quindi di alberi realizzati tramite coppie di invertitori.

La realizzazione del clock tree è una materia molto critica dal punto di vista industriale. Il cosiddetto '''inserimento del clock tree''' detto anche '''CTS''' (ossia clock tree synthesis)

* clock''Clock mesh'': variante nella CTS che non si basa più su un albero di propagazione, ma sfrutta una rete di distribuzione uniforme dalla quale viene estratto localmente il segnale del clock.

[[File:Ideal clock.png|thumb|left|450px|Il clock tree, visto da uno strumento software di sviluppo, in uno stadio preliminare, prima della CTS]]

può determinare variazioni grandi nelle prestazioni di un circuito digitale.

[[File:Clock after CTS.PNG|thumb|right|450px|In questa immagine invece si vede come il progettista abbia ormai inserito le celle di buffering che permettono di bilanciare il clock. L'inserimento del clock tree è stato completato.]]

==== Strutture avanzate ====

* domini''Domini di clock multipli'': si hanno nel caso di circuiti che ricevono più segnali di clock contemporaneamente: ogni singolo clock viene bilanciato separatamente dagli altri

* clock''Clock gating'': struttura che permette lo spegnimento del clock quando il circuito non viene utilizzato

== Bibliografia ==

Vengono utilizzati a questo scopo strumenti di progettazione assistita dal computer (CAD) che si avvalgono di algoritmi complessi per la realizzazione di ''alberi bilanciati'', ossia alberi costituiti da interconnessioni metalliche a da [[buffer non invertente|buffer]] mediante i quali le ''foglie'' risultino essere sincronizzate.

*''Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook'', by Lavagno, Martin, and Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 un compendio di [[:en:electronic design automation|automazione del design]].

== Voci correlate ==

Nel risolvere questo tipo di problemi si devono sviluppare [[algoritmo|algoritmi]] che permettano di massimizzare in velocità e contemporaneamente equalizzare tutti i rami.

* [[bufferBuffer non invertente]]

==== Varianti ====

* Clock tree realizzati tramite [[invertitore|invertitori]]: dal punto di vista logico, se il numero delle inversioni è pari allora il segnale non cambia; si tratta quindi di alberi realizzati tramite coppie di invertitori.

* clock mesh: variante nella CTS che non si basa più su un albero di propagazione, ma sfrutta una rete di distribuzione uniforme dalla quale viene estratto localmente il segnale del clock.

==== Strutture avanzate ====

* domini di clock multipli: si hanno nel caso di circuiti che ricevono più segnali di clock contemporaneamente: ogni singolo clock viene bilanciato separatamente dagli altri

* clock gating: struttura che permette lo spegnimento del clock quando il circuito non viene utilizzato

== Bibliografia ==

*''Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook'', by Lavagno, Martin, and Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 un compendio di [[:en:electronic design automation|automazione del design]].

== Collegamenti esterni ==

* CAD –– [https://web.archive.org/web/20030804065831/http://www.ieee.org/organizations/pubs/transactions/tcadics.htm IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems]

{{Portale|elettronica|elettrotecnica|scienza e tecnica}}

== Voci correlate ==

* [[buffer non invertente]]

* [[:en:physical design (electronics)]]

[[Categoria:Elettronica]]

[[Categoria:Elettronica digitale]]