跨時(shí)鐘域設(shè)計(jì)之控制信號傳輸工作原理

最近我整理了一下跨時(shí)鐘域設(shè)計(jì)的一些知識，一方面這與亞穩(wěn)態(tài)有關(guān)系，承接前面講到的內(nèi)容，一方面當(dāng)做復(fù)習(xí)吧。主要內(nèi)容主要是是圍繞跨時(shí)鐘域展開的，主要內(nèi)容概覽：

·跨時(shí)鐘域與亞穩(wěn)態(tài)

·跨同步時(shí)鐘的控制信號傳輸

·時(shí)鐘同源，周期之間非整數(shù)倍的跨時(shí)鐘域

·跨異步時(shí)鐘域的控制信號傳輸

1、跨時(shí)鐘域與亞穩(wěn)態(tài)

跨時(shí)鐘域通俗地講，就是模塊之間有數(shù)據(jù)交互，但是模塊用的不是同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如下圖所示：

左邊的模塊1由clk1驅(qū)動(dòng)，屬于clk1的時(shí)鐘域；右邊的模塊2由clk2驅(qū)動(dòng)，屬于clk2的時(shí)鐘域。當(dāng)clk1比clk2的頻率高時(shí)，則稱模塊1（相對于模塊2）為快時(shí)鐘域，而模塊2位為慢時(shí)鐘域。根據(jù)clk1和clk2是不是同步時(shí)鐘，可以將上面的跨時(shí)鐘域分為跨同步時(shí)鐘域（clk1與clk2是同步時(shí)鐘）和跨異步時(shí)鐘域（clk1和clk2不是同步時(shí)鐘）。根據(jù)信號是控制信號還是數(shù)據(jù)信號可以分為跨時(shí)鐘域的控制信號傳輸和數(shù)據(jù)信號的傳輸。

在跨時(shí)鐘域的信號傳輸過程中，可能出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的情況，這個(gè)時(shí)候，需要同步器進(jìn)行同步，減小亞穩(wěn)態(tài)傳播下去的概率；注意這里的同步器只能減少亞穩(wěn)態(tài)往下傳播的概率，如果產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定后的電平不一定是正確的電平，如果穩(wěn)定后的電平是錯(cuò)誤的，那么就很有可能引起后面的邏輯的錯(cuò)誤，這是需要強(qiáng)調(diào)的；當(dāng)然，一般情況下（我這里是說一般情況）很少發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，不然后面的邏輯豈不是要掛？

根據(jù)上面的內(nèi)容可知，跨時(shí)鐘域可能需要同步器來抑制亞穩(wěn)態(tài)的往下傳播的概率，根據(jù)情況的不同需要不同的同步器，大致情況如下所示：

·跨同步時(shí)鐘域下，快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域的控制信號傳輸；

·跨同步時(shí)鐘域下，慢時(shí)鐘域到塊時(shí)鐘域的控制信號傳輸；

·跨同步時(shí)鐘域下，快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號傳輸；

·跨同步時(shí)鐘域下，慢時(shí)鐘域到塊時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號傳輸；

·跨異步時(shí)鐘域下，快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域的控制信號傳輸；

·跨異步時(shí)鐘域下，慢時(shí)鐘域到塊時(shí)鐘域的控制信號傳輸；

·跨異步時(shí)鐘域下，快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號傳輸；

·跨異步時(shí)鐘域下，慢時(shí)鐘域到塊時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號傳輸；

看著這八大類型，心里就虛，但是這里先劇透一下，在數(shù)據(jù)的傳輸（主要是多位數(shù)據(jù)的傳輸）里面，無論是跨同步還是跨異步，主要（注意是主要）都是使用比較大的同步隔離器，進(jìn)行隔離緩沖數(shù)據(jù)，比如FIFO、RAM；因此一般就會分為控制信號（一般是1位信號）和數(shù)據(jù)這兩種情況設(shè)計(jì)同步器?？鐣r(shí)鐘域的數(shù)據(jù)傳輸我們放在最后講。今天主要整理跨時(shí)鐘域的控制信號傳輸。

我在前面的一篇博客中說到了同步電路與異步電路的區(qū)分：http://www.cnblogs.com/IClearner/p/6440488.html。這里我們要隨機(jī)應(yīng)變，在這里更新一下傳統(tǒng)同步時(shí)鐘的概念：系統(tǒng)中的多個(gè)時(shí)鐘，如果他們的邊沿相對的時(shí)間差固定（或者說相位固定），那么就屬于同步時(shí)鐘。它們可以是不同時(shí)鐘源產(chǎn)生的，但是通過鎖相環(huán)把它們之間的相位進(jìn)行固定，因此是同步時(shí)鐘。它們可能是同一時(shí)鐘源產(chǎn)生的，但是經(jīng)過分頻之后，它們之間的相位隨著初始相位和時(shí)間變化，這類時(shí)鐘可以叫他同步時(shí)鐘，但是從這個(gè)傳統(tǒng)的概念出發(fā)，這就是異步時(shí)鐘（這個(gè)與我上面的那篇博客不一樣，要注意），在處理上當(dāng)做異步時(shí)鐘進(jìn)行處理。好了，說了這么多，接下來我們就根據(jù)時(shí)鐘的分類來進(jìn)行說說吧。

2、跨同步時(shí)鐘的控制信號傳輸

（1）同頻同相位的兩個(gè)同步時(shí)鐘：

波形如下所示：

這兩個(gè)時(shí)鐘可以看做是同一個(gè)時(shí)鐘，也就是單時(shí)鐘設(shè)計(jì)，允許有1個(gè)時(shí)鐘的周期進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，因此只要滿足普通的同步電路設(shè)計(jì)要求（滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，控制信號的傳輸延時(shí)要在一定范圍內(nèi)）就可以了，不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，也不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，一般不需要同步器。

（2）同頻不同相位的兩個(gè)同步時(shí)鐘

波形如下所示：

這個(gè)固定的相位可以看成是時(shí)鐘的偏移，允許的傳輸時(shí)間小于一個(gè)時(shí)鐘周期，但是只要滿足控制信號的輸出是在clk1的控制下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的，因此只要滿足同步設(shè)計(jì)的一般要求（滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，控制信號的傳輸延時(shí)要在一定范圍內(nèi)），就可以滿足時(shí)序，不會出生亞穩(wěn)態(tài)，也不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，因此一般不需要同步器。

（3）不同頻，但是存在整數(shù)倍的關(guān)系

假設(shè)沒有初始相位差（或者即使有初始相位差固定，也可以通過后期修復(fù)），clk1的時(shí)鐘頻率是clk2的3倍。

·當(dāng)從快時(shí)鐘域跨到慢時(shí)鐘域時(shí)（也就是控制信號從clk1的模塊傳輸?shù)絚lk2的模塊），波形如下所示：

如果是clk1在第2個(gè)上升沿進(jìn)行發(fā)送信號，只要控制信號在3個(gè)clk1的周期內(nèi)到達(dá)，就不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)；...如果clk1在第4個(gè)上升沿進(jìn)行發(fā)送信號，就需要控制信號在1個(gè)clk1的周期內(nèi)到達(dá)，就不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。因此只要控制信號從發(fā)送時(shí)鐘域出發(fā)到達(dá)目的時(shí)鐘域的時(shí)間小于clk1的時(shí)鐘周期，就不需要同步器；一般情況下，控制信號是觸發(fā)器觸發(fā)，觸發(fā)器捕獲，一般滿足這個(gè)關(guān)系，如下所示：

然而需要注意的，這個(gè)是從快傳到慢，慢時(shí)鐘域可能會采樣不到控制信號從而丟失控制信號，也就是說，我控制信號在從clk1跑到clk2，并且保持一個(gè)時(shí)鐘（clk1）周期，但是你clk2的時(shí)鐘沿還沒有來，等到clk2的上升沿來了，我這個(gè)控制信號就已經(jīng)更新（或者失效）了，上面恰好在時(shí)鐘clk2上升沿的前一個(gè)時(shí)鐘周期clk1發(fā)出信號才采到，如果不是那個(gè)時(shí)候發(fā)送，就會丟失控制信號，如下所示：

在第2個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)送信號的時(shí)候，只持續(xù)了一個(gè)時(shí)鐘周期，因此clk2捕捉不到(這樣就是功能性錯(cuò)誤了，不單單是時(shí)序上的亞穩(wěn)態(tài)而已了)；只有在第4個(gè)時(shí)鐘沿的時(shí)候發(fā)送控制信號，clk2才捕捉得到。因此我們就需要把這個(gè)控制信號的周期延遲到clk1周期的3倍，這個(gè)可以通過計(jì)數(shù)器或者狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，延長后的波形如下所示：

可見，這時(shí)候不論在上面時(shí)候進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，clk2都能捕捉得到。

因此一般情況下不需要同步器，但是需要把快時(shí)鐘域的控制信號根據(jù)進(jìn)行延長合適的時(shí)間（根據(jù)時(shí)鐘之間的倍數(shù)關(guān)系進(jìn)行確定，控制信號的長度要≥捕獲時(shí)鐘的周期，一般取1.5倍，上圖只是1倍），避免慢時(shí)鐘域丟失信號。

·當(dāng)慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘域時(shí)（也就是控制信號從clk2的模塊傳輸?shù)絚lk1的模塊），波形如下所示：

很顯然，快時(shí)鐘能夠采樣得到慢時(shí)鐘的控制信號，而且采樣了三次，輸出為：

Clock2的控制信號就達(dá)到了clk2周期的3倍，如果只需要1個(gè)clk周期的控制信號，可以通過上升沿檢測電路實(shí)現(xiàn)，其輸出波形如下所示：

3、時(shí)鐘同源，周期之間非整數(shù)倍的跨時(shí)鐘域

當(dāng)兩個(gè)時(shí)鐘都來源于同一個(gè)時(shí)鐘，經(jīng)過PLL分頻之后，產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘時(shí)鐘，一個(gè)時(shí)鐘是另外一個(gè)時(shí)鐘的非整數(shù)倍，相位是隨時(shí)間變化的。在這種情況下，我們可以把這兩個(gè)時(shí)鐘當(dāng)做同步時(shí)鐘，也可以當(dāng)做異步時(shí)鐘；在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，這樣的時(shí)鐘會當(dāng)做異步時(shí)鐘進(jìn)行處理。下面我們就來看看這樣的時(shí)鐘處理要不要加同步器吧。

假如時(shí)鐘源的時(shí)鐘頻率為clk，經(jīng)過PLL后，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘clk1和一個(gè)時(shí)鐘clk2：

假設(shè)clk1是快時(shí)鐘，clk2是慢時(shí)鐘。由于控制信號僅僅在兩個(gè)時(shí)鐘域的觸發(fā)器之間傳輸，觸發(fā)器之間不存在任何邏輯，因此控制信號從發(fā)送觸發(fā)器到捕獲觸發(fā)器的時(shí)間很小，假設(shè)為t ps,當(dāng)發(fā)送沿與捕獲沿之間的間距大于tps，就不會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)（理論情況，不考慮時(shí)鐘偏移、翻轉(zhuǎn)等因素）。當(dāng)clk1的頻率不是clk2的整數(shù)倍的時(shí)候，他們的相位是隨著時(shí)間的改變而改變的，在知道了clk1和clk2的頻率后，就可以知道理論下clk1和clk2的相位關(guān)系，那么就會有下面的情況：

（其實(shí)也就分為要不要加同步器的的情況）

（1）（跨時(shí)鐘域無論是快到慢還是慢到快）兩個(gè)時(shí)鐘存在最小相位差，且最小相位差大于t。如下所示：

這里的這種情況下，時(shí)鐘最小最小的相位差T>t,也就是說，控制信號不會違反捕獲寄存器的建立時(shí)間和時(shí)間。需要注意的是，這是快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘域的控制信號傳輸，要防止信號丟失的情況，也就是需要將控制信號延長到一定的長度。

從慢時(shí)鐘到時(shí)鐘的波形就不畫了， 但是主要符合兩個(gè)時(shí)鐘（無論是快到慢還是慢到快）存在最小相位差，且最小相位差大于t，就不會違反建立時(shí)間和保持時(shí)間，基本不會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。因此在這種情況下，是不需要同步器的。

（2）（跨時(shí)鐘域無論是快到慢還是慢到快）兩個(gè)時(shí)鐘中，發(fā)送沿到接收沿的相位很窄，小于t，也就是違反捕獲寄存器的建立時(shí)間和保持時(shí)間，但是下一次的發(fā)送沿到接收沿的相位很大（不違反捕獲寄存器的建立時(shí)間和保持時(shí)間）的情況，如下所示：

在相位小的地方，建立時(shí)間不足，引起了亞穩(wěn)態(tài)，這時(shí)候就要上我們的同步器了，這里隆重推出我們的同步器——雙D觸發(fā)器，其電路圖如下所示：

要注意，其中間不能有任何組合邏輯，電路圖與對于的時(shí)序關(guān)系如下所示（代碼就不寫了，電路簡單）：

再次強(qiáng)調(diào)，雙D觸發(fā)器（觸發(fā)器鏈）只能抑制亞穩(wěn)態(tài)往下傳輸(或者減小其往下傳輸?shù)母怕?，并不一定能夠同步正確的控制信號的值，這與亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的值有關(guān)，上圖中一級觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的值恰好是高電平，因此二級觸發(fā)器采樣后的輸出值為高電平。如果上圖中一級觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的值是低電平，那么二級觸發(fā)器采樣后的輸出值將為低電平，也就是輸出了錯(cuò)誤的控制信號。

這里再啰嗦一下，在這種情況下（也就是有亞穩(wěn)態(tài)的情況下），從慢到快，只有亞穩(wěn)態(tài)的問題；而從快傳輸?shù)铰?，不僅有要抑制亞穩(wěn)態(tài)往下傳播的問題，還有控制信號丟失的問題，這里就需要延長控制信號的長度或者采取其他措施（后面會講）。

（3）兩個(gè)時(shí)鐘相鄰的幾次發(fā)送沿和接收沿的相位差都很小的情況，如下圖所：

這種情況可以說就基本是異步時(shí)鐘域之間的控制信號傳輸了，在這種情況下，必定要加觸發(fā)器鏈同步器，抑制亞穩(wěn)態(tài)往下傳播。跟前面的情況一樣，從慢到快，只有亞穩(wěn)態(tài)的問題；而從快傳輸?shù)铰?，不僅有要抑制亞穩(wěn)態(tài)往下傳播的問題，還有控制信號丟失的問題，這里就需要延長控制信號的長度或者采取其他措施（后面會講）。

4、跨異步時(shí)鐘域的控制信號傳輸

其實(shí)跨異步時(shí)鐘域的波形跟前面的3.(3)類似，只不過兩個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)鐘是完全沒有關(guān)系的時(shí)鐘而已。在這樣的情況下，我們可以采取跟前面類似的方法：首先觸發(fā)器鏈抑制亞穩(wěn)態(tài)的傳輸一定是要的，然后是快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的問題，也就是采樣短脈沖的控制信號問題，除了對控制信號進(jìn)行延長之外，我們還可以其他的方法，下面就來整理整理吧：

（1）握手/反饋機(jī)制

采用握手反饋機(jī)制，即可以抑制亞穩(wěn)態(tài)的傳輸，又可以正確地傳輸控制信號。這種握手/反饋機(jī)制對所有的跨異步時(shí)鐘的控制信號都有用，不過主要用在快到慢時(shí)鐘、易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的情況。說了那么多，都沒有實(shí)在的，下面就來看點(diǎn)實(shí)在的吧——握手/反饋機(jī)制電路圖：

波形如下所示（手繪....）：

其實(shí)原理很簡單，當(dāng)控制信號變高時(shí)（adat與adat1），慢時(shí)鐘域的觸發(fā)器鏈（bdat1和bdat2）進(jìn)行采樣，采樣得到的高電平(bdat2)后，也就是確認(rèn)采樣得到控制信號后，再通過觸發(fā)器鏈反饋給快時(shí)鐘域(abdat1和abdat2)，讓快時(shí)鐘域把控制信號拉低（拉低的或者處理時(shí)長在后面有電路），就完成控制信號的正確跨時(shí)鐘傳輸。本來不想寫代碼了的，畢竟有電路了，但是想想還是貼一下代碼吧，畢竟最近整理過程中都沒有寫代碼了，感覺有點(diǎn)生疏了，代碼如下（如果有錯(cuò)請指出）：

當(dāng)然，在慢時(shí)鐘域階段，我們也可以添加邊沿檢測（上升沿）電路，一方面讓輸出只有一個(gè)脈沖的控制信號，另一方面準(zhǔn)確地進(jìn)行控制，以防止亞穩(wěn)態(tài)的干擾。

在上面的握手方案中，我們通過反饋信號進(jìn)行控制信號的延時(shí)來讓慢時(shí)鐘域充分采樣得到控制信號，本質(zhì)上是也是對控制信號的延時(shí)。這個(gè)延時(shí)的具體實(shí)現(xiàn)，需要對控制信號的產(chǎn)生邏輯進(jìn)行處理，來滿足延時(shí)的要求，如下所示：

除了上面對控制信號處理之外，我們還可以對快時(shí)鐘域的時(shí)鐘動(dòng)點(diǎn)手腳，具體電路如下所示：

這里通過讓快時(shí)鐘域觸發(fā)器（特指rd_en觸發(fā)器）的時(shí)鐘停止工作的方式，讓控制信號保持一定的時(shí)間。時(shí)鐘停止之后，rd_en觸發(fā)器的輸出就會保持不變，等到反饋信號回來，告知慢時(shí)鐘域采樣得到高電平后，再恢復(fù)快時(shí)鐘域的時(shí)鐘，波形如下所示：

時(shí)鐘停止的邏輯電路（類門控電路）的代碼如下所示（代碼如果有錯(cuò)，歡迎指出）：

當(dāng)然，這是一個(gè)組合電路。這樣子會令后面的輸出電路產(chǎn)生毛刺，類似于門控時(shí)鐘那樣，于是乎我們就可以使用門控時(shí)鐘那樣的技巧，防止輸出產(chǎn)生毛刺。這里就不詳細(xì)說明了。

（2）窄脈沖捕捉電路

前面的控制信號，它都需要反饋信號來把有效拉為無效，可以說這個(gè)控制信號是不“自由”的。有時(shí)候，我們需要捕捉異步短脈沖控制信號，這個(gè)控制信號完全由前面的邏輯電路生成，與我后面的電路信號無關(guān)，也就是說沒有反饋信號，你也需要采樣到這個(gè)短脈沖控制信號。下面的窄脈沖捕捉電路可以捕捉到快時(shí)鐘域產(chǎn)生的異步窄脈沖控制信號，電路如下所示：

波形圖如下所示：

從波形圖中可以知道，這是利用了脈沖信號的上升沿進(jìn)行輸出脈沖信號，然后通過后面反饋回來的信號進(jìn)行清零，從而為下一次脈沖控制信號做好準(zhǔn)備。需要注意的是，窄脈沖控制信號的產(chǎn)生頻率不能太快，也就是需要等到清零信號無效（三個(gè)觸發(fā)器的延時(shí)）后才能發(fā)出下一個(gè)脈沖控制信號，不然后面的慢時(shí)鐘域采樣電路無法識別兩次控制信號，而只當(dāng)成一次控制信號處理。代碼根據(jù)電路圖寫就好了=.=。

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控制信號的跨時(shí)鐘域傳輸?shù)竭@里就講完了，下面進(jìn)行總結(jié)一下：

·在跨時(shí)鐘域的時(shí)候，不一定需要跨時(shí)鐘域電路（同步器或者握手信號），接近異步時(shí)鐘或者就是異步時(shí)鐘的時(shí)候跨時(shí)鐘域就得加上了。

·在慢到快的時(shí)鐘域中，加上觸發(fā)器鏈基本上就可以了，主要是抑制亞穩(wěn)態(tài)的傳播。

·但是在快到慢的時(shí)鐘域中，不僅需要觸發(fā)器鏈進(jìn)行抑制亞穩(wěn)態(tài)的傳播，還要防止慢時(shí)鐘域采不到快時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)，因此就添加反饋/握手電路（這個(gè)反饋信號是指跨時(shí)鐘域的反饋信號）。

·在最后，介紹了窄脈沖控制信號捕捉電路，這個(gè)電路不需要添加反饋信號，也就是說只要控制信號的頻率不是快，只要有窄脈沖（不是毛刺），就可以捕捉得到，而不需要反饋信號控制脈沖寬度（這個(gè)反饋信號是指跨時(shí)鐘域的反饋信號，其實(shí)還是需要反饋清0的）。

整理了好久才整理完=.=累，終于可以發(fā)了......