跨時(shí)鐘域電路設(shè)計(jì)—單比特信號(hào)傳輸

• 亞穩(wěn)態(tài)

跨時(shí)鐘域（CDC）的應(yīng)從對(duì)亞穩(wěn)定性和同步性的基本了解開(kāi)始。用普通的話來(lái)說(shuō)，亞穩(wěn)定性是指不穩(wěn)定的中間狀態(tài)，但是在此狀態(tài)下，任何微小的擾動(dòng)將導(dǎo)致最終狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，但是并不能保證最終的狀態(tài)就是設(shè)計(jì)所期待的狀態(tài)，換句話就是可能發(fā)生傳輸錯(cuò)誤。當(dāng)應(yīng)用于數(shù)字電路中的觸發(fā)器時(shí)，它表示觸發(fā)器的輸出可能尚未穩(wěn)定，不確定是否能到最終期望值的狀態(tài)。

觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的一種方法是違反了其建立或保持時(shí)間。在異步時(shí)鐘域跨越（CDC）中，其中源時(shí)鐘和目標(biāo)時(shí)鐘沒(méi)有頻率關(guān)系，來(lái)自源域的信號(hào)在驅(qū)動(dòng)目的域的觸發(fā)器時(shí)，無(wú)法保證目的域的觸發(fā)器能夠滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間。當(dāng)目的域的觸發(fā)器的輸出變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)并且在必須再次對(duì)其輸出進(jìn)行采樣（由目標(biāo)域中的第二個(gè)觸發(fā)器完成）時(shí)尚未收斂，則將發(fā)生同步失敗。更糟糕的是，下一個(gè)觸發(fā)器也可能變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)中傳播！

• 跨時(shí)鐘域同步器

同步器是跨時(shí)鐘域中設(shè)計(jì)的一種常用電路，其目的是把同步失敗的可能性降到最低。我們希望亞穩(wěn)態(tài)在一個(gè)同步周期（目標(biāo)時(shí)鐘域的時(shí)鐘周期）內(nèi)解決，以便我們可以在目標(biāo)時(shí)鐘域中使得觸發(fā)器的輸出是安全采樣值。在此我們把同步器的兩次采樣出現(xiàn)問(wèn)題之間的時(shí)間間隔，稱(chēng)為平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

在跨時(shí)鐘域（CDC）中出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率與以下因素成正比：

1. 目標(biāo)時(shí)鐘域的時(shí)鐘頻率
2. 跨時(shí)鐘邊界的數(shù)據(jù)傳輸速率

根據(jù)上述因素，我們常用的同步器電路如下：

• 兩個(gè)觸發(fā)器同步器

最基本的同步器是兩個(gè)串聯(lián)的觸發(fā)器，均由目的時(shí)鐘域提供時(shí)鐘。這個(gè)電路稱(chēng)為兩個(gè)觸發(fā)器同步器。如果輸入數(shù)據(jù)的變化非常接近接收時(shí)鐘邊沿（在建立/保持時(shí)間內(nèi)），則同步器中的第一個(gè)觸發(fā)器可能會(huì)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，但是在信號(hào)被采樣之前，仍然有一個(gè)完整的時(shí)鐘使信號(hào)變得穩(wěn)定--第二觸發(fā)器。然后，目標(biāo)時(shí)鐘域的邏輯使用的是第二個(gè)觸發(fā)器的輸出。

兩級(jí)觸發(fā)器可防止亞穩(wěn)態(tài)傳播的原理：假設(shè)第一級(jí)觸發(fā)器的輸入不滿足其建立/保持時(shí)間，它在第一個(gè)脈沖沿到來(lái)后輸出的數(shù)據(jù)就為亞穩(wěn)態(tài)，那么在下一個(gè)脈沖沿到來(lái)之前，其輸出的亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)在一段恢復(fù)時(shí)間后必須穩(wěn)定下來(lái)，而且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)必須滿足第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間，如果都滿足了，在下一個(gè)脈沖沿到來(lái)時(shí)，第二級(jí)觸發(fā)器將不會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，因?yàn)槠漭斎攵说臄?shù)據(jù)滿足其建立保持時(shí)間。同步器有效的條件：第一級(jí)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)后的恢復(fù)時(shí)間 + 第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間 <= 時(shí)鐘周期。如果不滿足上述表達(dá)式，那么到第二個(gè)觸發(fā)器開(kāi)始，信號(hào)仍然可能是亞穩(wěn)態(tài)的。在這種情況下，將發(fā)生同步錯(cuò)誤，并且設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)生故障，但是這種情況是很罕見(jiàn)的。

兩個(gè)觸發(fā)器同步器足以滿足很大部分應(yīng)用的需求了。為了進(jìn)一步提高M(jìn)TBF，有時(shí)會(huì)使用具有更好的建立/保持時(shí)間特性的庫(kù)單元（其具有低閾值電壓）構(gòu)建兩個(gè)觸發(fā)器同步器。

在跨時(shí)鐘域（CDC）發(fā)送信號(hào)到同步器之前，通常先在源時(shí)鐘域中使用寄存器保存信號(hào)。這也是為什么上圖中介紹為什么在兩個(gè)時(shí)域的觸發(fā)器之間需要沒(méi)有組合邏輯的原因，只有這樣才可以首先消除了組合電路產(chǎn)生的毛刺。如下圖所示：

因?yàn)樵诮M合邏輯電路中常常因?yàn)楦鱾€(gè)輸入信號(hào)的不一致性以及各路徑延遲的不一樣，可能導(dǎo)致輸出結(jié)果存在毛刺。

而在跨時(shí)鐘域時(shí)，又不確定目的時(shí)鐘域時(shí)鐘上升沿什么時(shí)候到來(lái)，因此目的時(shí)鐘域時(shí)鐘的采樣就更加無(wú)法保證。

因此必須保證兩個(gè)時(shí)域的觸發(fā)器之間沒(méi)有組合邏輯。

• 慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘域

最簡(jiǎn)單的情況是將信號(hào)從慢速時(shí)鐘域傳遞到快速時(shí)鐘域。只要快時(shí)鐘的頻率大于慢時(shí)鐘頻率的1.5-2倍，通常就不會(huì)有問(wèn)題?？焖倌繕?biāo)時(shí)鐘將簡(jiǎn)單地對(duì)慢速信號(hào)進(jìn)行多次采樣。在這些情況下，一個(gè)簡(jiǎn)單的兩級(jí)串聯(lián)觸發(fā)器同步就足夠了。

目的時(shí)鐘域如果不采取任何操作，那么就會(huì)多次采樣同一個(gè)值，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題--電路誤以為這是多個(gè)操作。因此為了避免這種錯(cuò)誤的發(fā)生，通常添加一些簡(jiǎn)單的邏輯使得同步后的采樣值出現(xiàn)周期和原時(shí)鐘域的一樣。具體操作，在soc設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)書(shū)上有講。

如果快時(shí)鐘的頻率小于慢時(shí)鐘頻率的1.5倍，也就是稍微快點(diǎn)，這個(gè)歡迎各位討論，我覺(jué)得使用。

• 快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域

困難的情況是將快速信號(hào)傳遞到慢速時(shí)鐘域。明顯的問(wèn)題是，如果快速信號(hào)上的脈沖短于慢速時(shí)鐘的周期，則該脈沖可能會(huì)在被慢速時(shí)鐘采樣之前消失。下面的波形顯示了這種情況。

還有一個(gè)考慮較少的問(wèn)題是，即使脈沖只是比慢時(shí)鐘的周期稍寬，信號(hào)也會(huì)在目標(biāo)觸發(fā)器的建立/保持時(shí)間內(nèi)（在慢時(shí)鐘上）變化，這會(huì)違反時(shí)序并導(dǎo)致亞穩(wěn)性。

在處理上述問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)該確認(rèn)是否需要源信號(hào)中的每個(gè)值，如果可以不需要，那么采樣在上文異步fifo中設(shè)計(jì)的格雷碼就可以異步FIFO設(shè)計(jì)。當(dāng)然如果需要在目的域中使用每個(gè)值，那么就得想辦法設(shè)計(jì)新方法。

• 還是使用兩級(jí)觸發(fā)器

一個(gè)簡(jiǎn)單的兩個(gè)觸發(fā)器同步器是跨時(shí)鐘域交叉?zhèn)鬏斝盘?hào)的最快方法。只要在快速時(shí)鐘域中生成的信號(hào)比慢速時(shí)鐘的周期時(shí)間寬，在許多應(yīng)用中就足夠了。例如，如果只需要同步緩慢變化的狀態(tài)信號(hào)，則可能會(huì)起作用。一個(gè)安全的經(jīng)驗(yàn)法則是信號(hào)必須大于目標(biāo)時(shí)鐘周期寬度的1.5倍。這保證了信號(hào)將被目標(biāo)時(shí)鐘的至少一個(gè)（但可能更多）時(shí)鐘沿采樣?？梢允褂肧ystemVerilog斷言（SVA）輕松檢查需求。

當(dāng)源和目標(biāo)的相對(duì)時(shí)鐘頻率固定時(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)1.5x的周期寬度。但是在現(xiàn)實(shí)世界中，情況并非如此。目標(biāo)時(shí)鐘可以采用多種不同的頻率，它們可以與源時(shí)鐘更快/更低/相同。在那種情況下，設(shè)計(jì)時(shí)鐘域交叉信號(hào)來(lái)滿足最慢目標(biāo)時(shí)鐘的1.5倍周期寬度并不容易。

• 采用具有反饋信號(hào)的同步器

上圖中，源域通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)器同步器將信號(hào)發(fā)送到目的時(shí)鐘域，然后通過(guò)另一個(gè)兩個(gè)觸發(fā)器同步器將同步信號(hào)傳遞回源時(shí)鐘域，作為反饋確認(rèn)。下圖顯示了同步器的波形。

該解決方案非常安全，但是由于在允許再次更改信號(hào)之前需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行同步，因此確實(shí)存在增加延遲的代價(jià)。