在電路設(shè)計(jì)中采用一些技巧解決信號(hào)同步問題

只有最初級(jí)的邏輯電路才使用單一的時(shí)鐘。大多數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的應(yīng)用都有與生俱來的挑戰(zhàn)，即跨越多個(gè)時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)移動(dòng)，例如磁盤控制器、CDROM/DVD 控制器、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡以及網(wǎng)絡(luò)處理器等。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)時(shí)鐘域傳送到另一個(gè)時(shí)鐘域時(shí)，出現(xiàn)在新時(shí)鐘域的信號(hào)是異步信號(hào)。

在現(xiàn)代 IC、ASIC 以及 FPGA 設(shè)計(jì)中，許多軟件程序可以幫助工程師建立幾百萬門的電路，但這些程序都無法解決信號(hào)同步問題。設(shè)計(jì)者需要了解可靠的設(shè)計(jì)技巧，以減少電路在跨時(shí)鐘域通信時(shí)的故障風(fēng)險(xiǎn)。

基礎(chǔ)

從事多時(shí)鐘設(shè)計(jì)的第一步是要理解信號(hào)穩(wěn)定性問題。當(dāng)一個(gè)信號(hào)跨越某個(gè)時(shí)鐘域時(shí)，對(duì)新時(shí)鐘域的電路來說它就是一個(gè)異步信號(hào)。接收該信號(hào)的電路需要對(duì)其進(jìn)行同步。同步可以防止第一級(jí)存儲(chǔ)單元(觸發(fā)器)的亞穩(wěn)態(tài)在新的時(shí)鐘域里傳播蔓延。

亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無法預(yù)測該單元的輸出電平，也無法預(yù)測何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。在這個(gè)穩(wěn)定期間，觸發(fā)器輸出一些中間級(jí)電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無用的輸出電平可以沿信號(hào)通道上的各個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)式傳播下去。

對(duì)任何一種觸發(fā)器，在時(shí)鐘觸發(fā)沿前后的一個(gè)小時(shí)間窗口內(nèi)，輸入信號(hào)必須穩(wěn)定。這一時(shí)間窗口是多種因素的函數(shù)，包括觸發(fā)器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、運(yùn)行環(huán)境以及無緩沖輸出上的負(fù)載等。輸入信號(hào)陡峭的邊沿可以將此窗口減至最小。隨著時(shí)鐘頻率的升高，會(huì)出現(xiàn)更多有問題的時(shí)間窗口，而隨著數(shù)據(jù)頻率的提升，這種窗口的命中概率則會(huì)增加。

FPGA 制造商和 IC 晶片廠用“MTBF”來標(biāo)識(shí)合格的觸發(fā)器，并且確定它們的特性。“MTBF”(平均無故障時(shí)間)用統(tǒng)計(jì)方法描述了一個(gè)觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)特性，即確定某個(gè)觸發(fā)器出現(xiàn)故障的概率。在計(jì)算 MTBF 時(shí)，制造商部分基于輸入信號(hào)改變導(dǎo)致觸發(fā)器不穩(wěn)定期間的時(shí)間窗口長度。另外，MTBF 的計(jì)算還使用了輸入信號(hào)的頻率以及驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器的時(shí)鐘頻率。

在一個(gè) ASIC 或 FPGA 庫中，每種觸發(fā)器都有時(shí)序要求，以幫助你確定容易出問題的窗口。“建立時(shí)間”(Setup time)是指在時(shí)鐘沿到來之前，觸發(fā)器輸入信號(hào)必須保持穩(wěn)定的時(shí)間。“保持時(shí)間”(Hold time)則是指在時(shí)鐘沿之后，信號(hào)必須保持穩(wěn)定的時(shí)間。這些指標(biāo)通常比較保守，以應(yīng)對(duì)電源電壓、工作溫度、信號(hào)質(zhì)量以及制造工藝等各種可能的差異。如果一個(gè)設(shè)計(jì)滿足了這些時(shí)序要求，則觸發(fā)器出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性可以忽略不計(jì)。

現(xiàn)代 IC 與 FPGA 設(shè)計(jì)中使用的綜合工具可以保證設(shè)計(jì)能滿足每個(gè)數(shù)字電路觸發(fā)器對(duì)建立與保持時(shí)間的要求。然而，異步信號(hào)卻給軟件提出了難題。對(duì)新的時(shí)鐘域來說，從其它時(shí)鐘域傳來的信號(hào)是異步的。大多數(shù)綜合工具在判定異步信號(hào)是否滿足觸發(fā)器時(shí)序要求時(shí)遇到了麻煩。因?yàn)樗鼈儾荒艽_定觸發(fā)器處于非穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，所以它們也就不能確定從一個(gè)觸發(fā)器通過組合邏輯到達(dá)下一個(gè)觸發(fā)器的總延遲時(shí)間。所以，最好的辦法是使用一些電路來減輕異步信號(hào)的影響。

信號(hào)同步

信號(hào)同步的目的是防止新時(shí)鐘域中第一級(jí)觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)對(duì)下級(jí)邏輯造成影響。簡單的同步器由兩個(gè)觸發(fā)器串聯(lián)而成，中間沒有其它組合電路。這種設(shè)計(jì)可以保證后面的觸發(fā)器獲得前一個(gè)觸發(fā)器輸出時(shí)，前一個(gè)觸發(fā)器已退出了亞穩(wěn)態(tài)，并且輸出已穩(wěn)定。設(shè)計(jì)中要注意將兩個(gè)觸發(fā)器放得盡可能近，以確保兩者間有最小的時(shí)滯(clock skew)。

IC 制造廠提供同步單元，幫助完成信號(hào)同步工作。這些單元通常包括一個(gè)有非常高增益的觸發(fā)器，它比普通觸發(fā)器耗電更高，也比較大。這種觸發(fā)器降低了對(duì)輸入信號(hào)建立-保持時(shí)間的要求，并且當(dāng)輸入信號(hào)導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，它可以防止出現(xiàn)振蕩。另一種同步器單元包括兩個(gè)觸發(fā)器，省去了將兩個(gè)單獨(dú)觸發(fā)器靠近放置的工作，也防止設(shè)計(jì)人員誤在兩個(gè)觸發(fā)器間加入任何其它的組合邏輯。

為了使同步工作能正常進(jìn)行，從某個(gè)時(shí)鐘域傳來的信號(hào)應(yīng)先通過原時(shí)鐘域上的一個(gè)觸發(fā)器，然后不經(jīng)過兩個(gè)時(shí)鐘域間的任何組合邏輯，直接進(jìn)入同步器的第一個(gè)觸發(fā)器中(圖 1)。這一要求非常重要，因?yàn)橥狡鞯牡谝患?jí)觸發(fā)器對(duì)組合邏輯所產(chǎn)生的毛刺非常敏感。如果一個(gè)足夠長的信號(hào)毛刺正好滿足建立-保持時(shí)間的要求，則同步器的第一級(jí)觸發(fā)器會(huì)將其放行，給新時(shí)鐘域的后續(xù)邏輯送出一個(gè)虛假的信號(hào)。

圖1，在一個(gè)全同步器電路中，從某個(gè)時(shí)鐘域傳來的信號(hào)應(yīng)先通過原時(shí)鐘域上的一個(gè)觸發(fā)器，然后不經(jīng)過原觸發(fā)器和同步器的第一個(gè)觸發(fā)器兩個(gè)時(shí)鐘域間的任何組合邏輯，直接進(jìn)入同步器的第一個(gè)觸發(fā)器中。

一個(gè)經(jīng)同步后的信號(hào)在兩個(gè)時(shí)鐘沿以后就成為新時(shí)鐘域中的有效信號(hào)。信號(hào)的延遲是新時(shí)鐘域中的一到兩個(gè)時(shí)鐘周期。一種粗略的估算方法是同步器電路在新時(shí)鐘域中造成兩個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，設(shè)計(jì)者需要考慮同步延遲將對(duì)跨時(shí)鐘域的信號(hào)時(shí)序造成的影響。

同步器有許多種設(shè)計(jì)方法，因?yàn)橐环N同步器不能滿足所有應(yīng)用的

需求。同步器的類型基本上有三種：電平、邊沿檢測和脈沖(表 1)。雖然還存在著其它類型的同步器，但這三種類型的同步器可以解決設(shè)計(jì)者遇到的多數(shù)應(yīng)用問題。在電平同步器中，跨時(shí)鐘域的信號(hào)在新時(shí)鐘域中要保持高電平或低電平兩個(gè)時(shí)鐘周期以上。這種電路的要求是，在再次成為有效信號(hào)前，信號(hào)需要先變成無效狀態(tài)。每一次信號(hào)有效時(shí)，接收邏輯都會(huì)把它看作一個(gè)單個(gè)事件，而不管信號(hào)的有效狀態(tài)保持了多久。這種電路是所有同步器電路的核心。

表 1

邊沿檢測同步器在電平同步器的輸出端增加了一個(gè)觸發(fā)器(圖 2)。新增觸發(fā)器的輸出經(jīng)反相后和電平同步器的輸出進(jìn)行與操作。這一電路會(huì)檢測同步器輸入的上升沿，產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)鐘周期等寬、高電平有效的脈沖。如果將與門的兩個(gè)輸入端交換使用，就可以構(gòu)成一個(gè)檢測輸入信號(hào)下降沿的同步器。將與門改為與非門可以構(gòu)建一個(gè)產(chǎn)生低電平有效脈沖的電路。

圖2，邊沿檢測同步器在電平同步器的輸出端增加了一個(gè)觸發(fā)器。

當(dāng)一個(gè)脈沖進(jìn)入更快的時(shí)鐘域中時(shí)，邊沿檢測同步器可以工作得很好。這一電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用來指示輸入信號(hào)上升或下降沿。這種同步器有一個(gè)限制，即輸入脈沖的寬度必須大于同步時(shí)鐘周期與第一個(gè)同步觸發(fā)器所需保

持時(shí)間之和。最保險(xiǎn)的脈沖寬度是同步器時(shí)鐘周期的兩倍。如果輸入是一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖進(jìn)入一個(gè)較慢的時(shí)鐘域，則這種同步器沒有作用，在這種情況下，就要采用脈沖同步器。

脈沖同步器的輸入信號(hào)是一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖，它觸發(fā)原時(shí)鐘域中的一個(gè)翻轉(zhuǎn)電路(圖 3)。每當(dāng)翻轉(zhuǎn)電路接收到一個(gè)脈沖時(shí)，它就會(huì)在高、低電平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過電平同步器到達(dá)異或門的一個(gè)輸入端，而另一個(gè)信號(hào)經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲進(jìn)入異或門的另一端，翻轉(zhuǎn)電路每轉(zhuǎn)換一次狀態(tài)，這個(gè)同步器的輸出端就產(chǎn)生一個(gè)單時(shí)鐘寬度的脈沖。

圖3，脈沖同步器的輸入信號(hào)是一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖，它觸發(fā)原時(shí)鐘域中的一個(gè)翻轉(zhuǎn)電路

脈沖同步器的基本功能是從某個(gè)時(shí)鐘域取出一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖，然后在新的時(shí)鐘域中建立另一個(gè)單時(shí)鐘寬度的脈沖。脈沖同步器也有一個(gè)限制，即輸入脈沖之間的最小間隔必須等于兩個(gè)同步器時(shí)鐘周期。如果輸入脈沖相互過近，則新時(shí)鐘域中的輸出脈沖也緊密相鄰，結(jié)果是輸出脈沖寬度比一個(gè)時(shí)鐘周期寬。當(dāng)輸入脈沖時(shí)鐘周期大于兩個(gè)同步器時(shí)鐘周期時(shí)，這個(gè)問題更加嚴(yán)重。這種情況下，如果輸入脈沖相鄰太近，則同步器就不能檢測到每個(gè)脈沖。

握手與 FIFO

在許多應(yīng)用中，跨時(shí)鐘域傳送的不只是簡單的信號(hào)，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線都會(huì)同時(shí)跨域傳輸。工程師們用一些其它的手段來處理這些情況，如握手協(xié)議和 FIFO 等。

當(dāng)幾個(gè)電路不能預(yù)知相互的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，握手方法能讓數(shù)字電路間實(shí)現(xiàn)有效的通信。例如，仲裁總線結(jié)構(gòu)可以讓一個(gè)以上的電路請(qǐng)求使用單個(gè)的總線，用仲裁方法來決定哪個(gè)電路可以獲得總線的訪問權(quán)，例如 PCI 或 AMBA(高級(jí)微控制器總線架構(gòu))。每個(gè)電路都發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，由仲裁邏輯決定誰是“贏家”。獲勝的電路會(huì)收到一個(gè)應(yīng)答，表示它可以訪問總線。該電路于是中斷請(qǐng)求，開始使用總線。

不同時(shí)鐘域電路使用的握手協(xié)議有兩種基本類型：全握手(Full-handshake)和部分握手(partial-handshake)。每種類型的握手都要用同步器，每種都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)全握手信號(hào)，雙方電路在聲明或中止各自的握手信號(hào)前都要等待對(duì)方的響應(yīng)(圖 4)。首先，電路 A 聲明它的請(qǐng)求信號(hào)，然后，電路 B 檢測到該請(qǐng)求信號(hào)有效后，聲明它的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)電路 A 檢測到響應(yīng)信號(hào)有效后，中止自己的請(qǐng)求信號(hào)。最后，當(dāng)電路 B 檢測到請(qǐng)求無效后，它中止自己的響應(yīng)信號(hào)。除非電路 A 檢測到無效的響應(yīng)信號(hào)，否則它不會(huì)再聲明新的請(qǐng)求信號(hào)。

圖4，對(duì)全握手信號(hào)，雙方電路在聲明或中止各自的握手信號(hào)前都要等待對(duì)方的響應(yīng)。

這種類型的握手使用了電平同步器。設(shè)計(jì)人員將這種技術(shù)用在如下情況：響應(yīng)電路(電路 B)需要告知請(qǐng)求電路(電路 A)它可以處理請(qǐng)求。這種握手方法要求請(qǐng)求電路延遲它的下一個(gè)請(qǐng)求，直到它檢測到響應(yīng)信號(hào)無效?？梢杂媒?jīng)驗(yàn)估算法判斷這個(gè)協(xié)議的時(shí)序：信號(hào)跨越一個(gè)時(shí)鐘域要花兩個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間，信號(hào)在跨越多個(gè)時(shí)鐘域前被電路寄存。全部的時(shí)間序列是：A 時(shí)鐘域中最多五個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多六個(gè)周期。全握手類型很強(qiáng)健，因?yàn)橥ㄟ^檢測請(qǐng)求與響應(yīng)信號(hào)，每個(gè)電路都清楚地知道對(duì)方的狀態(tài)。這種方式的不足之處是完成所有交互的整個(gè)過程要花費(fèi)很多時(shí)鐘周期。

另一種類型是部分握手，它可以縮短這些事件的過程。使用部分握手信號(hào)時(shí)，通信雙方的電路都不等對(duì)方的響應(yīng)就中止各自的信號(hào)，并繼續(xù)執(zhí)行握手命令序列。部分握手類型比全握手類型在健壯性方面稍弱，因?yàn)槲帐中盘?hào)并不指示各自電路的狀態(tài)，每一電路都必須保存狀態(tài)信息(在全握手信號(hào)里這個(gè)信息被送出去)。但是，由于無需等待其它電路的響應(yīng)，完整的事件序列花費(fèi)時(shí)間較少。

當(dāng)使用部

分握手信號(hào)方式時(shí)，響應(yīng)的電路必須以正確的時(shí)序產(chǎn)生它的信號(hào)。如果響應(yīng)電路要

求先處理完一個(gè)請(qǐng)求，然后才能處理下一個(gè)請(qǐng)求，則響應(yīng)信號(hào)的時(shí)序就很重要。電路用它的響應(yīng)信號(hào)來指示它的處理任務(wù)何時(shí)完成。一種部分握手方法混合了電平與脈沖信號(hào)，而其它的方法則只使用脈沖信號(hào)。

在第一種部分握手方法中，電路 A 以有效電平聲明其請(qǐng)求信號(hào)，電路 B 則以一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖作為響應(yīng)。此時(shí)，電路 B 并不關(guān)心電路 A 何時(shí)中止它的請(qǐng)求信號(hào)。但為了使這種方法成立，電路 A 中止請(qǐng)求信號(hào)至少要有一個(gè)時(shí)鐘周期長，否則，電路 B 就不能區(qū)別前一個(gè)請(qǐng)求和新的請(qǐng)求。在這種握手方式下，電路 B 為請(qǐng)求信號(hào)使用一個(gè)電平同步器，電路 A 為響應(yīng)信號(hào)使用一個(gè)脈沖同步器。只有當(dāng)電路 B 檢測到請(qǐng)求信號(hào)時(shí)才發(fā)出響應(yīng)脈沖。這種情況可以使電路 A 通過控制其請(qǐng)求信號(hào)的時(shí)序，控制同步器接收到的脈沖間隔(圖 5)。同樣可以用經(jīng)驗(yàn)估算法確定時(shí)序，即信號(hào)跨越一個(gè)時(shí)鐘域要花兩個(gè)時(shí)鐘周期并且在跨越時(shí)鐘域前被電路寄存。

圖5，在一種部分握手方法中，電路 A 發(fā)出它的請(qǐng)求信號(hào)，電路 B 則以一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖作為響應(yīng)。

全部的序列為 A 時(shí)鐘域最多三個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多五個(gè)周期。這種部分握手方法比全握手方法在 A、B 兩個(gè)時(shí)鐘域分別少用了兩個(gè)和一個(gè)時(shí)鐘周期。如果采用第二種部分握手方法可以再減少一些時(shí)鐘周期，此時(shí)電路 A 用一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖發(fā)出它的請(qǐng)求，而電路 B 也用一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求。這種情況下，兩個(gè)電路都需要保存狀態(tài)，以指示請(qǐng)求正待處理。

圖6，這種握手類型使用的是脈沖同步器，但如果其中一個(gè)電路時(shí)鐘比另一個(gè)電路時(shí)鐘快兩倍，則可以用邊沿檢測同步器來代替。

這種握手類型使用的是脈沖同步器，但如果其中一個(gè)電路時(shí)鐘比另一個(gè)電路時(shí)鐘快兩倍，則可以用邊沿檢測同步器來代替(圖 6)。完整的時(shí)序是：A 時(shí)鐘域最多兩個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多三個(gè)周期。所以這種部分握手技術(shù)與全握手方法相比，在 A 時(shí)鐘域少用三個(gè)時(shí)鐘周期，在 B 時(shí)鐘域也少用三個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)，也比第一種部分握手方法分別在 A、B 時(shí)鐘域快了一個(gè)和兩個(gè)周期(表 2)。這些握手協(xié)議針對(duì)的都是跨越時(shí)鐘域的單一信號(hào)。但當(dāng)幾組信號(hào)要跨越時(shí)鐘域時(shí)，設(shè)計(jì)人員就需要使用更加復(fù)雜的信號(hào)傳送方法。

表 2

數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)

在進(jìn)行信號(hào)同步時(shí)有一個(gè)重要的規(guī)則，那就是不應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中的多個(gè)地方對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行同步，即單個(gè)信號(hào)扇出至多個(gè)同步器。因?yàn)橥揭ㄒ坏絻蓚€(gè)時(shí)鐘周期，設(shè)計(jì)者不能確切地預(yù)測到每個(gè)信號(hào)何時(shí)跨越一個(gè)時(shí)鐘域。此外，在新時(shí)鐘域中一組經(jīng)同步后的信號(hào)其時(shí)序是不定的，因?yàn)橥窖舆t可以是一到兩個(gè)時(shí)鐘周期，這與輸入信號(hào)到達(dá)同步器的時(shí)間有關(guān)。這種情況會(huì)在各個(gè)同步信號(hào)間形成一種“競爭狀況”。這種競爭狀況在需要跨越時(shí)鐘域傳輸?shù)亩嘟M信號(hào)間也會(huì)發(fā)生，例如數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等。因此，不能對(duì)組中的每個(gè)信號(hào)單獨(dú)使用同步器，也不能對(duì)數(shù)據(jù)或地址總線的每一位單獨(dú)使用同步器，因?yàn)樵谛碌臅r(shí)鐘域中，要求每個(gè)信號(hào)同時(shí)有效。

一種解決總線同步問題的方法是使用一個(gè)保持寄存器和握手信號(hào)。這種電路包括一個(gè)保持信號(hào)總線的寄存器，以及一個(gè)握手機(jī)制(圖 7)。握手信號(hào)指示新時(shí)鐘域的電路何時(shí)可以對(duì)總線采樣，以及源電路何時(shí)可以更換當(dāng)前寄存器中保存的內(nèi)容。

圖7，一種數(shù)據(jù)路徑同步器設(shè)計(jì)使用一個(gè)保持寄存器和握手信令。

在這種設(shè)計(jì)中，傳輸電路將數(shù)據(jù)(信號(hào)總線)存儲(chǔ)在保持寄存器，同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)。這兩個(gè)動(dòng)作可以同時(shí)發(fā)生，因?yàn)檎?qǐng)求信號(hào)至少要花一個(gè)時(shí)鐘周期才能讓接收電路檢測到它(最小的握手-同步延遲)。當(dāng)接收電路采樣到數(shù)據(jù)(信號(hào)總線)時(shí)，它發(fā)出一個(gè)響應(yīng)信號(hào)。這種設(shè)計(jì)使用了全握手方法，所以要花較長時(shí)間才能完成整個(gè)傳輸。對(duì)接收電路而言，使用全握手信號(hào)的設(shè)計(jì)有較大的時(shí)間窗口用于對(duì)信號(hào)總線采樣，因而效率較低。如用部分握手方法代替全握手方法則可以加快傳輸速度。

用這種總線同步方式，你可以同步握手信號(hào)，但不能同步信號(hào)總線。信號(hào)總線來自于保持寄存器，它在接收電路采樣前一直保持穩(wěn)定。注意，如果傳輸電路向接收電路提交數(shù)據(jù)太快以致來不及處理，則應(yīng)用中的總線同步可能不起作用。

高級(jí)數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)

在許多情況下，數(shù)據(jù)在跨越時(shí)鐘域時(shí)需要“堆積”起來，因此使用單個(gè)保持寄存器無法完成工作。例如一種情況是某個(gè)傳輸電路猝發(fā)式發(fā)送數(shù)據(jù)，接收電路來不及采樣。另一種情況是接收電路采樣速度超出傳輸電路發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，但采樣的數(shù)據(jù)寬度不夠。這些情況就要使用 FIFO 了。

基本上，設(shè)計(jì)者使用 FIFO 有兩個(gè)目的：速度匹配或數(shù)據(jù)寬度匹配。在速度匹配時(shí)，F(xiàn)IFO 較快的端口處理猝發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸，而較慢的端口則維持恒定的數(shù)據(jù)流。但是，雖然訪問方式和速度不同，但進(jìn)出 FIFO 的平均數(shù)據(jù)速率必須是相同的，否則 FIFO 就會(huì)出現(xiàn)上溢(overflow)或下溢(underflow)問題。與單寄存器設(shè)計(jì)相同，F(xiàn)IFO 將數(shù)據(jù)保存在寄存器或存儲(chǔ)器中，同時(shí)同步狀態(tài)信號(hào)，判斷何時(shí)可以把數(shù)據(jù)寫入 FIFO 或從 FIFO 中讀出。

在速度匹配應(yīng)用中，每個(gè)端口(讀或?qū)?的時(shí)鐘不同。FIFO 中的寄存器使用寫端口時(shí)鐘，就像保持寄存器使用電路時(shí)鐘來改變寄存器內(nèi)容一樣。信號(hào)同步發(fā)生在指針邏輯中，而且比握手信號(hào)要復(fù)雜得多。

現(xiàn)在指針邏輯的設(shè)計(jì)有多種方法。第一種方法是將讀、寫選通進(jìn)行同步，同時(shí)在各個(gè)時(shí)鐘域使用計(jì)數(shù)器來跟蹤 FIFO 中可用的項(xiàng)。計(jì)數(shù)器反映出可用于讀寫的 FIFO 項(xiàng)目號(hào)，計(jì)數(shù)器也與相應(yīng)的端口同步。讀計(jì)數(shù)器跟蹤包含有效數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)，而寫計(jì)數(shù)器則跟蹤可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)。當(dāng)對(duì)指針邏輯進(jìn)行復(fù)位時(shí)，由于沒有數(shù)據(jù)可讀，讀計(jì)數(shù)器從零起始。寫計(jì)數(shù)器則從 FIFO 中項(xiàng)的總數(shù)開始計(jì)數(shù)，即所有項(xiàng)均可用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

讀選通信號(hào)累減讀計(jì)數(shù)器，并與寫時(shí)鐘域同步，因?yàn)樗瑫r(shí)也累加寫計(jì)數(shù)器。寫選通信號(hào)則累減寫計(jì)數(shù)器，并與讀時(shí)鐘域同步，因?yàn)樗瑫r(shí)也累加讀計(jì)數(shù)器。

這種設(shè)計(jì)需要單時(shí)鐘寬度脈沖以及用于讀、寫選通的脈沖同步器，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)電平信號(hào)從一個(gè)時(shí)鐘域跨越到

另一個(gè)更快的時(shí)鐘域時(shí)，在較快時(shí)鐘域中它能在更多的時(shí)鐘周期中保持有效。由于只要讀或?qū)懶盘?hào)是有效的，每個(gè)計(jì)數(shù)器就會(huì)發(fā)生變化，因此較快的時(shí)鐘域就檢測到更多的讀、寫，超出較慢時(shí)鐘域?qū)嶋H發(fā)生的數(shù)量。脈沖同步器可以將一個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)鐘寬度脈沖轉(zhuǎn)換為新時(shí)鐘域的時(shí)鐘寬度脈沖，每個(gè)脈沖都表示一次 FIFO 的讀或?qū)憽?/p>

這種 FIFO 狀態(tài)技術(shù)對(duì)讀、寫狀態(tài)都不太有利。當(dāng) FIFO 中所有項(xiàng)均充滿時(shí)，寫端口狀態(tài)指示為滿，并在讀選通觸發(fā)后繼續(xù)指示 FIFO 滿，因?yàn)橥竭^程會(huì)使選通信號(hào)延遲送給寫計(jì)數(shù)器。讀端口為空時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況，因?yàn)橥竭^程會(huì)使寫選通信號(hào)延遲到達(dá)讀計(jì)數(shù)器。

這種設(shè)計(jì)的另一種考慮是及時(shí)檢測全滿/全空狀態(tài)。如果 FIFO 還有一項(xiàng)可用，并且有寫選通觸發(fā)，則 FIFO 必須立即置為全滿狀態(tài)。這樣才能提前一個(gè)時(shí)鐘給出全滿標(biāo)志，使 FIFO 有足夠時(shí)間防止下一個(gè)數(shù)據(jù)寫入而產(chǎn)生溢出。對(duì) FIFO 的讀端口也是這樣。這種情況下，如果 FIFO 里只有一個(gè)數(shù)，并且有讀選通觸發(fā)，則必須置全空狀態(tài)，以給讀電路足夠的時(shí)間防止讀空 FIFO。

這種指針邏輯限制電路在每個(gè)時(shí)鐘周期中訪問 FIFO，即使在慢速時(shí)鐘域中也是這樣。這一功能的優(yōu)點(diǎn)在于訪問 FIFO 的電路至少有一個(gè)時(shí)鐘周期來評(píng)估 FIFO 的狀態(tài)。FIFO 可以將所有項(xiàng)都填滿數(shù)據(jù)，而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)被覆蓋或全空無數(shù)據(jù)可讀的情況。這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每一端都可以讀其相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，來判斷 FIFO 中還有多少項(xiàng)可用。設(shè)計(jì)者可以將這種 FIFO設(shè)計(jì)用在進(jìn)行多次數(shù)據(jù)讀/寫的電路中，而不會(huì)造成上溢或下溢的情況。

這種設(shè)計(jì)的不足之處是由計(jì)數(shù)器來判斷狀態(tài)，而不是直接比較讀、寫指針。對(duì)大型 FIFO 來說，這些計(jì)數(shù)器也很大。而且，由于使用脈沖同步時(shí)，來自較快時(shí)鐘域的讀、寫脈沖在較慢時(shí)鐘域的脈沖間至少必須有兩個(gè)時(shí)鐘周期，因此平均數(shù)據(jù)速率為最低時(shí)鐘頻率的一半。解決這些問題的一種方法是采用直接指針比較法。

在這種 FIFO 設(shè)計(jì)中，讀、寫指針的比較決定了 FIFO 的狀態(tài)。異步設(shè)計(jì)中的指針比較更富有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槊總€(gè)指針位于不同的時(shí)鐘域中，對(duì)信號(hào)總線的同步要求在同步握手信號(hào)期間總線不發(fā)生改變。將這種技術(shù)用于指針同步的 FIFO 設(shè)計(jì)可能會(huì)很慢。要解決這個(gè)問題，F(xiàn)IFO 指針邏輯使用了格雷碼，代替指針使用的二進(jìn)制碼。

格雷碼在每一次計(jì)數(shù)增減時(shí)只改變其中的一位(表 3)。你可以在格雷碼總線上使用同步器，因?yàn)槊恳淮慰偩€改變時(shí)只有一根信號(hào)線有變化，于是就消除了格雷碼總線各位通過不同同步器時(shí)的競爭情況。這種設(shè)計(jì)的指針為格雷碼計(jì)數(shù)器。使用二進(jìn)制指針時(shí)需要將其變換成格雷碼后的同步指針，而使用變換邏輯會(huì)違反對(duì)同步信號(hào)的限制，即同步的信號(hào)在跨越時(shí)鐘域前要來自觸發(fā)器。

表 3

格雷碼計(jì)數(shù)器是一個(gè)二進(jìn)制累加器，在累加器前、后各帶有一個(gè)轉(zhuǎn)換器，分別用于格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，和二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼(圖 8)。格雷碼與二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換是一個(gè)異或運(yùn)算，所以只需比一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器多幾個(gè)邏輯電平。在格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼時(shí)，使用：BN=GN;BN-1=BN+GN-1;BN-2=BN-1+GN-2 . B1=B2+G1;B0=B1+G0。而將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼時(shí)，使用：GN=BN;GN-1=BN+BN-1;GN-2=BN-1+BN-2 . G1=B2+B1;G0=B1+B0。在設(shè)計(jì)中可以采用同樣的技術(shù)來比較格雷碼指針的值，即在各個(gè)指針與二進(jìn)制比較邏輯之間增加轉(zhuǎn)換器。

圖8，格雷碼計(jì)數(shù)器是一個(gè)二進(jìn)制累加器，在累加器前、后各帶有一個(gè)轉(zhuǎn)換器。

用這種指針邏輯的 FIFO 很快，每個(gè)時(shí)鐘周期中電路都可以讀寫 FIFO。但是，在每個(gè)周期都訪問 FIFO 意味著 FIFO 狀態(tài)要包括“將滿”和“將空”兩種指示，這樣讀寫 FIFO 的電路才能有停止時(shí)間。“將滿”表示只能再寫入一項(xiàng)，“將空”則表示只有一項(xiàng)可讀。這種情況描述了一個(gè)要求最少的可能狀態(tài)信號(hào)的設(shè)計(jì)，以及一個(gè)需要更多指示的設(shè)計(jì)，如果在固定的最小尺寸情況下用猝發(fā)方式訪問 FIFO 的電路的話。

這種 FIFO 狀態(tài)技術(shù)會(huì)給讀、寫帶來不良狀態(tài)。當(dāng) FIFO 滿時(shí)，寫端口的狀態(tài)指示已滿，而在電路從 FIFO 中讀出一項(xiàng)后，該狀態(tài)仍為滿，因?yàn)橥綑C(jī)制使讀指針相對(duì)寫入一側(cè)的比較邏輯有個(gè)延遲。同樣，在讀出一側(cè)的空狀態(tài)指示也有這個(gè)問題，因?yàn)橥綑C(jī)制使寫指針相對(duì)讀出一側(cè)的比較邏輯有延遲。

如果你在設(shè)計(jì)跨不同時(shí)鐘域電路時(shí)，使用一些技術(shù)來降低通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)，則處理跨時(shí)鐘域的信號(hào)就不再是艱巨的任務(wù)。同步機(jī)制可以防止接收跨時(shí)鐘域信號(hào)的觸發(fā)器出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，從而避免導(dǎo)致不可預(yù)知的電路行為。對(duì)于在多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一直保持有效的信號(hào)來說，電平同步器的效果很好。對(duì)于要轉(zhuǎn)換成新時(shí)鐘域脈沖的較慢時(shí)鐘域電平信號(hào)，要采用邊沿檢測同步器。最后，對(duì)跨時(shí)鐘

域的脈沖信號(hào)應(yīng)使用脈沖同步器。還要記住，當(dāng)一個(gè)信號(hào)總線跨越時(shí)鐘域時(shí)，整個(gè)總線要在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)到達(dá)新的時(shí)鐘域。不要分別同步每一個(gè)信號(hào)，而要采用一個(gè)保持寄存器和握手方式。握手用來表示寄存器中的信號(hào)何時(shí)有效，何時(shí)可以采樣。對(duì)數(shù)據(jù)總線來說，握手和一個(gè)保持寄存器很有用，但每次向新時(shí)鐘域傳送的數(shù)據(jù)字不超過一個(gè)。

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