跨時(shí)鐘域處理方式

引言

??類似于電源域（電源規(guī)劃與時(shí)鐘規(guī)劃亦是對(duì)應(yīng)的），假如設(shè)計(jì)中所有的 D 觸發(fā)器都使用一個(gè)全局網(wǎng)絡(luò) GCLK ，比如 FPGA 的主時(shí)鐘輸入，那么我們說(shuō)這個(gè)設(shè)計(jì)只有一個(gè)時(shí)鐘域。假如設(shè)計(jì)有兩個(gè)輸入時(shí)鐘，分別給不同的接口使用，那么我們說(shuō)這個(gè)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)時(shí)鐘域，不同的時(shí)鐘域，有著不同的時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘相位。

??在實(shí)際的 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常有多個(gè)不同的時(shí)鐘源的參與，比如 FPGA 內(nèi)部的 Clock Wizard 時(shí)鐘分頻 IP 核，連接到許多不同的頻率輸入的 IP 模塊，這個(gè)在視頻顯示系統(tǒng)中是很常見(jiàn)的，畢竟，不同的視頻顯示格式需要不同的像素頻率，也就需要不同的輸入時(shí)鐘。例如 640X480@60Hz 需要 25.175MHz 時(shí)鐘，而 1280X720@60Hz 需要 74.2MHz 時(shí)鐘等等。

一、跨時(shí)鐘域處理方式

1、對(duì)于單比特?cái)?shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域： 打兩拍 （即定義兩級(jí)寄存器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行延拍，這個(gè)在解決 “亞穩(wěn)態(tài)” 方式的隨筆中已經(jīng)提及）。

2、對(duì)于多比特?cái)?shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域： 異步 FIFO（異步雙口 RAM） 。例如前面一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送速率為 100MHz，而后面一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)接收速率為 50MHz，這樣就是數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)牟煌?，那么，我們可以在中間插入一個(gè)異步 FIFO，一端接收前面的 100MHz 速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，另一端發(fā)送 50MHz 速率的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的同步接收與發(fā)送。當(dāng)然，這里的 FIFO 的深度就需要自己計(jì)算了。

3、 握手協(xié)議 。由于兩個(gè)異步時(shí)鐘的頻率關(guān)系不確定，所以，也就無(wú)法保證能否滿足觸發(fā)器之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間，如果違反了建立時(shí)間或者保持時(shí)間的要求，那么接收域?qū)?huì)采樣到處于亞穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)就可能崩潰了。

??因此，我們可以使如下用握手協(xié)議方式處理跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸，只需要對(duì)雙方的握手信號(hào)（req 和 ack）分別使用脈沖檢測(cè)方法進(jìn)行同步。如下所示，假設(shè) req、ack、data 總線在初始化時(shí)都處于無(wú)效狀態(tài)，發(fā)送域先把數(shù)據(jù)放入總線，隨后發(fā)送有效的 req 信號(hào)給接收域，接收域在檢測(cè)到有效的 req 信號(hào)后鎖存數(shù)據(jù)總線，然后回送一個(gè)有效的 ack 信號(hào)表示讀取完成應(yīng)答，發(fā)送域在檢測(cè)到有效 ack 信號(hào)后撤銷(xiāo)當(dāng)前的 req 信號(hào)，接收域在檢測(cè)到 req 撤銷(xiāo)后也相應(yīng)撤銷(xiāo) ack 信號(hào)，此時(shí)完成一次正常握手通信。

基于握手協(xié)議的跨時(shí)鐘域處理方式

??此后，發(fā)送域可以繼續(xù)開(kāi)始下一次握手通信，依次循環(huán)。該握手協(xié)議方式能夠保證接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，有效的避免了亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，但是，控制信號(hào)握手檢測(cè)會(huì)消耗通信雙方較多的時(shí)間和資源。這樣的通信協(xié)議類似于 AXI4-Stream 流協(xié)議，當(dāng)然，前者是一次握手發(fā)送一次數(shù)據(jù)，后者是一次握手可以連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，AXI4-Stream 流協(xié)議的主要通信信號(hào)為 tvalid 和 tready，這個(gè)協(xié)議在視頻流傳輸中非常重要且實(shí)用，大家可以去學(xué)一學(xué)。