解析多時(shí)鐘域和異步信號(hào)處理解決方案

有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，眾多數(shù)字設(shè)計(jì)特別是與FPGA設(shè)計(jì)相關(guān)的教科書都特別強(qiáng)調(diào)整個(gè)設(shè)計(jì)最好采用唯一的時(shí)鐘域。換句話說，只有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)設(shè)計(jì)中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘端口。雖然這樣可以簡(jiǎn)化時(shí)序分析以及減少很多與多時(shí)鐘域有關(guān)的問題，但是由于FPGA外各種系統(tǒng)限制，只使用一個(gè)時(shí)鐘常常又不現(xiàn)實(shí)。

FPGA時(shí)常需要在兩個(gè)不同時(shí)鐘頻率系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)之間通過多I/O接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，處理異步信號(hào)，以及為帶門控時(shí)鐘的低功耗ASIC進(jìn)行原型驗(yàn)證。本章討論一下在FPGA設(shè)計(jì)中多時(shí)鐘域和異步信號(hào)處理有關(guān)的問題和解決方案，并提供實(shí)踐指導(dǎo)。

這里以及后面章節(jié)提到的時(shí)鐘域，是指一組邏輯，這組邏輯中的所有同步單元（觸發(fā)器、同步RAM塊以及流水乘法器等）都使用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)作為時(shí)鐘。假如設(shè)計(jì)中所有的觸發(fā)器都使用一個(gè)全局網(wǎng)絡(luò)，比如FPGA的主時(shí)鐘輸入，那么我們說這個(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，如圖1所示，一個(gè)時(shí)鐘給接口1使用，另一給接口2使用，那么我們說這個(gè)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)時(shí)鐘域。

圖1：雙時(shí)鐘域設(shè)計(jì)

平時(shí)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中遇到的門控時(shí)鐘、衍生時(shí)鐘以及事件驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)器都可歸為時(shí)鐘域類別。如圖2所示，通過一個(gè)簡(jiǎn)單門控時(shí)鐘創(chuàng)建了一個(gè)新的時(shí)鐘域。我們知道，這類時(shí)鐘控制在FPGA設(shè)計(jì)中并不被推崇（可以使用時(shí)鐘使能替代時(shí)鐘門控），然而它卻非常有利于我們理解時(shí)鐘域這一概念。

本章我們將著重詳細(xì)討論以下主題：

1、兩個(gè)不同時(shí)鐘域之間傳輸信號(hào)。

l亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生以及對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性的影響

l通過相位控制避免亞穩(wěn)態(tài)

l在時(shí)鐘域之間傳輸單個(gè)信號(hào)，將信號(hào)打兩拍

l使用FIFO在時(shí)鐘域之間傳輸多位數(shù)據(jù)

l使用分區(qū)同步器模塊提高設(shè)計(jì)的組織架構(gòu)

2、處理ASIC驗(yàn)證原型里的門控時(shí)鐘

l建立一個(gè)單時(shí)鐘模塊

l自動(dòng)門控移除

圖2：通過門控時(shí)鐘創(chuàng)建的時(shí)鐘域

一、跨時(shí)鐘域

設(shè)計(jì)中包含多時(shí)鐘域，首先要解決的是在不同時(shí)鐘域之間傳輸信號(hào)的問題。信號(hào)跨時(shí)鐘域傳輸將會(huì)是一個(gè)大問題，原因如下：

1、 信號(hào)跨時(shí)鐘域傳輸產(chǎn)生的故障總是不太容易復(fù)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中如果存在兩個(gè)異步時(shí)鐘域，故障往往與這兩個(gè)時(shí)鐘沿的相對(duì)時(shí)序有關(guān)。來自片外時(shí)鐘源的時(shí)鐘通常與器件實(shí)際功能并無任何關(guān)聯(lián)。

2、 根據(jù)技術(shù)的不同，問題也不一樣。（盡管由于其他因素的影響，這種情況并不總是成立）我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果約束較小的建立和保持時(shí)間，從統(tǒng)計(jì)上來說高速設(shè)計(jì)技術(shù)比低速設(shè)計(jì)技術(shù)更不容易產(chǎn)生故障。同時(shí)，其它因素，比如同步器件中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的緩沖，也會(huì)對(duì)一個(gè)可能的故障產(chǎn)生顯著影響。

3、 EDA工具一般不會(huì)探測(cè)和標(biāo)注這類問題，靜態(tài)時(shí)序分析工具是基于獨(dú)立的時(shí)鐘區(qū)域來進(jìn)行時(shí)序分析，而且只有在特定的方式下根據(jù)指定的要求才能進(jìn)行跨時(shí)鐘域的時(shí)序分析。

4、 通常來說，如果沒有很好地理解，跨時(shí)鐘域故障難以探測(cè)且難以調(diào)試。所以所有跨時(shí)鐘域接口都必須要在任何功能實(shí)現(xiàn)之前被很好地定義和處理。讓我們首先來看看在不同時(shí)鐘域之間傳輸信號(hào)到底會(huì)產(chǎn)生什么錯(cuò)誤?？紤]圖3所示的情況，一個(gè)信號(hào)在兩個(gè)時(shí)鐘域之間傳播。

如圖4所示，低速時(shí)鐘的周期是高速時(shí)鐘周期的兩倍。低速時(shí)鐘上升沿與高速時(shí)鐘上升沿之間的間隔為常量，而且總是等于dC。由于這兩個(gè)時(shí)鐘的這種相位匹配關(guān)系，dC總是保持不變（假定頻率沒有漂移），而且在這個(gè)例子中，dC總是大于邏輯延時(shí)與高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)器建立時(shí)間之和。

圖3：時(shí)鐘域之間的簡(jiǎn)單信號(hào)傳輸

圖4：兩個(gè)時(shí)鐘域之間的時(shí)序關(guān)系

當(dāng)這些時(shí)鐘一啟動(dòng)，它們之間存在一個(gè)固定的相位關(guān)系，如此可以避免任何建立時(shí)間和保持時(shí)間違規(guī)。只要時(shí)鐘沒有漂移，就沒有任何時(shí)序違規(guī)出現(xiàn)，并且器件會(huì)如預(yù)想那樣工作?，F(xiàn)在我們?cè)倏紤]另外一種情況，同樣的時(shí)鐘上電后的相位關(guān)系如圖5所示。

圖5：會(huì)造成時(shí)序違規(guī)的時(shí)鐘相位關(guān)系

圖5中兩個(gè)時(shí)鐘之間的這種相位關(guān)系就會(huì)造成時(shí)序問題。這種情況會(huì)在任意頻率的兩個(gè)時(shí)鐘域之間。然而，如果時(shí)鐘的頻率匹配不對(duì)，這種時(shí)序問題在這種情況下也不會(huì)發(fā)生。

總結(jié)來說，時(shí)鐘同步問題在FPGA設(shè)計(jì)中通常是一種不可復(fù)現(xiàn)的問題，而且會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性帶來嚴(yán)重后果。后面我們會(huì)討論解決這類問題的方案，在此之前，我們必須要討論當(dāng)建立和保持時(shí)間違規(guī)時(shí)到底會(huì)發(fā)生什么。下一小節(jié)就是關(guān)于這個(gè)主題。

1.1 亞穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間在時(shí)鐘上升沿左右定義了一個(gè)時(shí)間窗口，如果觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端口上數(shù)據(jù)在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生變化（或者數(shù)據(jù)更新），那么就會(huì)產(chǎn)生時(shí)序違規(guī)。存在這個(gè)時(shí)序違規(guī)是因?yàn)榻r(shí)間要求和保持時(shí)間要求被違反了，此時(shí)觸發(fā)器內(nèi)部的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或者要輸出到外部節(jié)點(diǎn)）可能會(huì)在一個(gè)電壓范圍內(nèi)浮動(dòng)，無法穩(wěn)定在邏輯0或者邏輯1狀態(tài)。

換句話說，如果數(shù)據(jù)在上述窗口中被采集，觸發(fā)器中的晶體管不能可靠地設(shè)置為邏輯0或者邏輯1對(duì)應(yīng)的電平上。所以此時(shí)的晶體管并未處于飽和區(qū)對(duì)應(yīng)的高或者低電平，而是在穩(wěn)定到一個(gè)確定電平之前，徘徊在一個(gè)中間電平狀態(tài)（這個(gè)中間電平或許是一個(gè)正確值，也許不是）。如圖6所示，這就是所謂的亞穩(wěn)態(tài)。

圖6：時(shí)序違規(guī)導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)

如圖6的波形所示，信號(hào)的跳變發(fā)生在建立和保持邊界組成的時(shí)間窗口內(nèi)，這意味著輸出不會(huì)是邏輯0或邏輯1對(duì)應(yīng)的確定電平，而是它們之間的一個(gè)中間電平。如果觸發(fā)器包含有一個(gè)輸出緩沖，那么亞穩(wěn)態(tài)本身就可以稱為隨著內(nèi)部信號(hào)的逐漸穩(wěn)定而在輸出上表現(xiàn)的雜散過渡。

輸出保持亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間是隨機(jī)的，甚至可能在整個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都保持亞穩(wěn)態(tài)。那么，如果這個(gè)亞穩(wěn)態(tài)值輸入到組合邏輯，根據(jù)邏輯門電路的切換門檻，錯(cuò)誤的操作就可以發(fā)生。從時(shí)序收斂的角度來說，兩個(gè)觸發(fā)器之間的組合邏輯延時(shí)都要求要小于最小的時(shí)鐘周期。

但是這種亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)保持亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，本身就是變相地增加了邏輯延時(shí)。很顯然，一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)會(huì)給設(shè)計(jì)帶來致命的功能故障，而且該信號(hào)也將無法在各個(gè)時(shí)鐘沿上采集到一致的結(jié)果。

事實(shí)上需要注意的是，在FPGA設(shè)計(jì)流程中想通過仿真來確定亞穩(wěn)態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)的危害是非常困難的。純數(shù)字的仿真器并不能檢查到建立和保持違規(guī)，從而在違規(guī)發(fā)生時(shí)，仿真出一個(gè)邏輯“X”（未知）值。而普通的RTL仿真，并不會(huì)出現(xiàn)建立和保持違規(guī)，所以也就不會(huì)有信號(hào)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

盡管門級(jí)仿真的時(shí)候會(huì)檢查建立和保持是否違規(guī)，但是仿真由兩個(gè)異步信號(hào)對(duì)齊而導(dǎo)致一個(gè)同步故障依然是一件十分困難的事情。尤其困難的是，設(shè)計(jì)或者驗(yàn)證工程師并不是在設(shè)計(jì)伊始即查找問題。那么，理解如何保持設(shè)計(jì)的可靠性以及如何避免需要通過仿真來揭露設(shè)計(jì)的同步問題，就顯得十分重要了。解決亞穩(wěn)態(tài)的方法有很多，后面我們將逐一進(jìn)行討論。

1.2 解決亞穩(wěn)態(tài)方案1：相位控制

考慮這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，兩個(gè)時(shí)鐘域的周期不同，而且相位關(guān)系任意。如果至少有一個(gè)時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部的PLL或者DLL控制，而且在PLL或者DLL的精度范圍內(nèi)，其中一個(gè)時(shí)鐘的周期是另外一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)倍。那么如圖7所示，通過相位對(duì)齊可以避免實(shí)現(xiàn)違規(guī)。

考慮這樣一個(gè)例子，一個(gè)信號(hào)從低速時(shí)鐘域傳遞進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘域，而此時(shí)鐘域的周期是低速時(shí)鐘域的一半。根據(jù)前面的分析，如果沒有任何相位關(guān)系的保證，那么時(shí)序違規(guī)就有可能發(fā)生。然后，通過使用DLL由低速時(shí)鐘派生這個(gè)高速時(shí)鐘，那么相位對(duì)齊就可以達(dá)成。

圖7中，DLL調(diào)整高速時(shí)鐘（采集）的相位來對(duì)齊低速時(shí)鐘（發(fā)送）。數(shù)據(jù)在兩個(gè)時(shí)鐘域之間傳遞的時(shí)間是dC，該傳遞時(shí)間總是處于其最大可能值。本例中，只要從低速觸發(fā)器到高速觸發(fā)器的傳播延時(shí)小于高速時(shí)鐘周期，那么就不會(huì)有建立時(shí)間違規(guī)發(fā)生。

如果因?yàn)闀r(shí)鐘歪斜不夠小而導(dǎo)致保持時(shí)間要求無法滿足，那么可以通過配置實(shí)用高速時(shí)鐘的下降沿來采集信號(hào)，當(dāng)然前提是有足夠的時(shí)序余量能確保建立時(shí)間要求得到滿足。

圖7：使用DLL對(duì)齊相位

總結(jié)來說，相位控制技術(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘頻率是另外一個(gè)時(shí)鐘的數(shù)倍且其中一個(gè)時(shí)鐘可以由FPGA內(nèi)部PLL或者DLL控制時(shí)使用。

在很多例子中，設(shè)計(jì)控制時(shí)鐘域之間的相位關(guān)系是很奢侈的。尤其是時(shí)序要求由FPG**外的芯片施加，或者時(shí)鐘域之間沒有任何確定相位關(guān)系的時(shí)候。舉例來說，如果FPGA在兩個(gè)系統(tǒng)之間提供了一個(gè)接口，而這兩個(gè)系統(tǒng)施加在芯片輸入輸出延時(shí)上的時(shí)序要求非常緊張，調(diào)整任何這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘相位是不可能的。類似這種例子在實(shí)踐中會(huì)經(jīng)常遇到，所以需要使用新的方法來解決，下一節(jié)將討論這種新的方法。

1.3 解決亞穩(wěn)態(tài)方案2：打兩拍處理，即寄存兩拍

跨越兩個(gè)異步時(shí)鐘域傳輸單比特信號(hào)時(shí)，可以使用打兩拍技術(shù)。根據(jù)上一節(jié)的討論，建立或保持時(shí)間違規(guī)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)觸發(fā)器內(nèi)節(jié)點(diǎn)上電平徘徊在一個(gè)中間狀態(tài)，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)問題，而且信號(hào)從這種中間狀態(tài)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)需要時(shí)間，此時(shí)間的長(zhǎng)度未知。

這個(gè)未知的時(shí)間會(huì)被加入到時(shí)鐘到輸出的時(shí)間（Tco）里（影響隨后路徑上的延時(shí)），且會(huì)在下一級(jí)導(dǎo)致一個(gè)時(shí)序違規(guī)。如果該信號(hào)輸入到一個(gè)控制分支或者一個(gè)判決樹，那將是非常危險(xiǎn)的。不幸的是，沒有很好的辦法來預(yù)測(cè)這種亞穩(wěn)態(tài)將會(huì)持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，也沒有很好的辦法將這些信息反標(biāo)注到時(shí)序分析工具以及優(yōu)化工具。

假定兩個(gè)時(shí)鐘域之間完全異步（即無法實(shí)現(xiàn)相位控制），那么盡可能避免亞穩(wěn)態(tài)的一個(gè)最簡(jiǎn)單辦法就是使用雙觸發(fā)。在其它也許教科書中也稱這種方法為同步位、兩級(jí)觸發(fā)器或兩級(jí)同步器。

圖8所示的配置中，同步器電路（其輸入為Din）中的第一拍后也許會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，但是信號(hào)有機(jī)會(huì)在其被第二級(jí)鎖存以及被其它邏輯看到之前穩(wěn)定下來，如圖9所示。

圖8：打兩拍處理

圖9：打兩拍重同步器

圖9中，Dsync是同步器中第一個(gè)觸發(fā)器的輸出，而Dout是第二個(gè)觸發(fā)器的輸出。Dout本質(zhì)上是等到同步后的信號(hào)一旦穩(wěn)定下來后將其往下傳，并且確保其它電路不會(huì)收到亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)。同步器兩級(jí)觸發(fā)器之間不要添加任何邏輯，這樣可以使得信號(hào)獲得盡可能長(zhǎng)的時(shí)間來回到穩(wěn)定狀態(tài)。

所以總結(jié)來說，打兩拍同步器在單比特信號(hào)跨異步時(shí)鐘傳輸時(shí)，用來將該單比特信號(hào)重新同步到異步時(shí)鐘域。理論上來說，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出應(yīng)該一直保持不確定的亞穩(wěn)態(tài)，但是在現(xiàn)實(shí)中它會(huì)受到實(shí)際系統(tǒng)一系列因素影響后穩(wěn)定下來。

打個(gè)比方，想象一下一個(gè)皮球穩(wěn)定地停住在一個(gè)山尖上，從任何方向上輕推一下球，它都會(huì)由相反的方向從山上滾落。同樣，處于亞穩(wěn)態(tài)的一個(gè)邏輯門，由發(fā)熱、輻射等產(chǎn)生的隨機(jī)波動(dòng)都會(huì)促使該亞穩(wěn)態(tài)回到邏輯0或者邏輯1對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)。

使用打兩拍技術(shù)采樣一個(gè)異步信號(hào)時(shí)，無法完全預(yù)知我們想要的信號(hào)跳變，將在當(dāng)前時(shí)鐘發(fā)生還是下一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生。當(dāng)信號(hào)屬于一個(gè)數(shù)據(jù)總線中的一部分（有些數(shù)據(jù)位比其它比特晚一個(gè)時(shí)鐘周期跳變）時(shí)，或者關(guān)鍵數(shù)據(jù)必須要精確到單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)到達(dá)時(shí)，這種打兩拍技術(shù)是沒有幫助的。

不過，對(duì)于控制信號(hào)來說，如果它們可以忍受正負(fù)一個(gè)或更多個(gè)時(shí)鐘周期的變化，這種技術(shù)還是非常有用的。舉例來說，一個(gè)外部事件控制一個(gè)比特來觸發(fā)FPGA內(nèi)部動(dòng)作，這個(gè)觸發(fā)動(dòng)作發(fā)生的頻率可以非常的低，比如兩個(gè)事件之間的間隔可以達(dá)到微秒甚至毫秒級(jí)。

在這個(gè)例子中，一些額外的數(shù)納秒的延時(shí)并不會(huì)影響該事件的行為。如果由外部事件驅(qū)動(dòng)的改比特輸入到一個(gè)狀態(tài)機(jī)的控制結(jié)構(gòu)中，通過同步器打兩拍處理，那么想要的信號(hào)變化只是被延遲了一個(gè)時(shí)鐘周期。然而，如果沒有進(jìn)行打兩拍處理，那么判決邏輯也許會(huì)從該異步信號(hào)的亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)解碼出不同狀態(tài)跳轉(zhuǎn)信息，并使得狀態(tài)機(jī)同時(shí)跳轉(zhuǎn)到不同的分支。

除了純數(shù)字系統(tǒng)外，還有一種混合信號(hào)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)會(huì)通常會(huì)產(chǎn)生異步反饋信號(hào)到FPGA，如圖10所示。

圖10：重新同步模擬反饋

上述對(duì)異步信號(hào)打兩拍的同步器的Verilog代碼如下所示：module analog_interface（。。.output regfbr2，input feedback）;reg fbr1;always @ （posedge clk） beginfbr1《=feedback;fbr2《=fbr1;//;doubleflopend.。。

反饋信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)序違規(guī)，而且fbr1在時(shí)鐘沿后一個(gè)不確定的時(shí)間內(nèi)處于亞穩(wěn)態(tài)。那么，其它邏輯只可以使用的信號(hào)fbr2。

使用打兩拍同步處理技術(shù)時(shí)指定時(shí)序約束是非常重要的，需要施加的約束是將位于第一個(gè)和第二個(gè)寄存器時(shí)鐘域之間的信號(hào)路徑指定為假路徑，即讓時(shí)序分析器部分此路徑。因?yàn)榇騼膳耐狡鹘Y(jié)構(gòu)用于重新同步信號(hào)，在這兩個(gè)時(shí)鐘域之間并沒有需要分析的同步路徑。此外，如前所述這兩個(gè)觸發(fā)器之間的時(shí)序要盡可能的小，這樣可以減小亞穩(wěn)態(tài)被傳播到第二級(jí)觸發(fā)器的可能性。

1.4 解決亞穩(wěn)態(tài)方案3：使用FIFO結(jié)構(gòu)

跨時(shí)鐘域傳輸數(shù)據(jù)用得最多的方法就是使用先入先出（即FIFO）結(jié)構(gòu)。FIFO可以用于在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間傳輸多個(gè)比特信號(hào)。我們通常看到的FIFO應(yīng)用包括在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)總線之間傳輸數(shù)據(jù)，以及從可突發(fā)訪問的存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)或者對(duì)其寫入數(shù)據(jù)。例如，如圖11所示，顯示的是一個(gè)可突發(fā)訪問存儲(chǔ)器與一個(gè)PCI總線之間的接口。

圖11：FIFO在PCI應(yīng)用中

在很多不同的應(yīng)用中，F(xiàn)IFO都是一種非常有用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不過這里我們僅僅關(guān)注其處理跨時(shí)鐘域突發(fā)數(shù)據(jù)的能力。

FIFO非常類似于在超市里的結(jié)賬通道，每個(gè)客戶到達(dá)結(jié)賬臺(tái)的時(shí)間多少有點(diǎn)隨機(jī)性，結(jié)賬速度在一定意義上說是勻速的。有時(shí)候結(jié)賬客戶可能會(huì)很少，而其他某些時(shí)候又會(huì)突發(fā)很多客戶需要結(jié)賬，收款員不可能立刻為每個(gè)客戶服務(wù)，所以需要排隊(duì)。

抽象地來說，我們稱這種排成一隊(duì)的數(shù)據(jù)為一個(gè)序列。隨后，收款員會(huì)以或多或少平均的速度為每一個(gè)顧客服務(wù)，并不會(huì)理會(huì)隊(duì)列的長(zhǎng)度。假如需要結(jié)賬的顧客涌入收銀臺(tái)的速度超過了收款員的服務(wù)速度，那么這種收款結(jié)構(gòu)就無法支撐了。那么此時(shí)，就需要采取措施，要么加快收款員的服務(wù)速率，要么減少新增顧客數(shù)。

同樣的道理也存在于數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)可能到達(dá)某個(gè)時(shí)鐘域的間隔是完全隨機(jī)的，有時(shí)候或許會(huì)面臨一個(gè)很大突發(fā)數(shù)據(jù)塊。這種情況下，處在另一個(gè)時(shí)鐘域的接收設(shè)備只能以指定的速率來處理數(shù)據(jù)。如圖12所示，一個(gè)FIFO被用于緩存數(shù)據(jù)，這樣在設(shè)備中就形成了一個(gè)數(shù)據(jù)序列。

圖12：異步FIFO

通過使用異步FIFO，數(shù)據(jù)發(fā)送端可以以隨意的間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收端也可以以其固有的帶寬從數(shù)據(jù)序列里取出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。由于任何由FIFO實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度都不能無限制，所以需要一些控制來防止FIFO溢出。這時(shí)候，有兩種選項(xiàng)可以采用：

l 事先定義好的發(fā)送速率（可突發(fā)或不可突發(fā)），最小接收速率以及對(duì)應(yīng)最大的序列尺寸。l 握手控制。

注意，發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘頻率沒有必要高于接收端設(shè)備，否則容易造成溢出。以較慢的頻率將數(shù)據(jù)送入FIFO，那么數(shù)據(jù)寫入FIFO的時(shí)鐘周期數(shù)要少于接收端將要處理數(shù)據(jù)的時(shí)鐘周期數(shù)。那么，如果不采取握手控制，就必須要理解以上描述會(huì)產(chǎn)生溢出的最壞的情況。

在任何一段時(shí)間內(nèi)，假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送寫FIFO的速率大于接收處理數(shù)據(jù)的速率，那么很輕易地使系統(tǒng)無法維持。因?yàn)闆]有任何存儲(chǔ)設(shè)備可以存得下無限的數(shù)據(jù)，這種問題需要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層級(jí)才能解決。通常來說，突發(fā)發(fā)送一般是以小周期性或非周期性發(fā)生。所以FIFO的最大尺寸要大于等于（具體還要根據(jù)數(shù)據(jù)接收器的屬性）突發(fā)的尺寸。

在很多例子中，不管是突發(fā)尺寸還是數(shù)據(jù)到達(dá)的分配都無法很好地定義。這種時(shí)候，就有必要使用握手控制來防止FIFO產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出。如圖13所示，這種握手控制通常由一些標(biāo)志信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。這些標(biāo)志信號(hào)，一個(gè)是發(fā)送側(cè)的滿標(biāo)志，用于提示FIFO沒有多余空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)了，另一個(gè)是而空標(biāo)志，用于提示接收側(cè)，F(xiàn)IFO中沒有數(shù)據(jù)需要處理了。管理這些握手信號(hào)可能還需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)，正如圖13所示。

圖13：FIFO的握手控制

FIFO在FPGA內(nèi)一般是通過封裝一個(gè)雙口RAM來實(shí)現(xiàn)。表面上看微不足道的標(biāo)志信號(hào)如空和滿指示等，實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)起來反而比較困難。原因就在于輸入控制常常需要依據(jù)輸出來產(chǎn)生，同樣的輸出控制也常常需要依據(jù)輸入來產(chǎn)生。

例如，驅(qū)動(dòng)輸入的邏輯必須要知道FIFO是否已滿，而這只能通過獲取從輸出端讀出的數(shù)據(jù)數(shù)量才能得知。同樣的道理，在輸出側(cè)從FIFO讀數(shù)據(jù)的邏輯必須要了解FIFO中是否還有數(shù)據(jù)（即FIFO是否已空），而這只能通過輸入端口的寫指針才能判決。

這里我們探討使用FIFO在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間傳輸數(shù)據(jù)，不過同樣會(huì)面臨實(shí)現(xiàn)FIFO本身時(shí)遇到的握手標(biāo)志問題。為了在兩個(gè)時(shí)鐘域之間傳遞必要的信號(hào)，我們必須重回上一節(jié)討論到的打兩拍技術(shù)。下面我們以圖14所示的簡(jiǎn)單異步FIFO框圖為例進(jìn)行闡述。

圖14：異步FIFO簡(jiǎn)單框圖

圖14中，在產(chǎn)生空和滿信號(hào)時(shí)，寫地址和讀地址都必須是異步傳遞到對(duì)方時(shí)鐘域中。這樣在重新同步多比特地址總線時(shí)，問題就來了，即根據(jù)各個(gè)比特不同的走線，總線中某些比特可能會(huì)比其它比特晚一個(gè)時(shí)鐘周期。換句話說，由于兩個(gè)時(shí)鐘域異步的自然屬性，使得地址總線有些比特在一個(gè)時(shí)鐘沿上被采集，而另一些比特卻在下一個(gè)時(shí)鐘沿上被采集。

當(dāng)然這取決于數(shù)據(jù)是否在第一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘沿到達(dá)之前提前足夠長(zhǎng)時(shí)間有效。如果上述情況發(fā)生，那么會(huì)給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果，因?yàn)槎M(jìn)制地址中有些位變化有些位卻沒有，因此接收邏輯將會(huì)得到一個(gè)完全無效的地址，這個(gè)地址既不是當(dāng)前地址也不是上一個(gè)地址。

這個(gè)問題可以通過將二進(jìn)制地址轉(zhuǎn)換為格雷碼來解決。格雷碼是一種非常特殊的計(jì)數(shù)器，兩個(gè)相鄰地址中只有一個(gè)比特是不同的。所以當(dāng)?shù)刂犯淖儠r(shí)，只需要改變地址中的一個(gè)比特即可，這樣就可以避免上面提到的問題。

如果發(fā)生變化的那個(gè)比特并沒有被下一個(gè)時(shí)鐘正確采集，地址線上會(huì)“同步地”保留舊的地址值。那么，任何不正確的地址（即既不是當(dāng)前地址也不是舊地址）操作都被消除了。所以總結(jié)來說，格雷碼常用來在異步時(shí)鐘域之間傳遞多比特計(jì)數(shù)值，且多用于FIFO內(nèi)。

需要額外注意的一點(diǎn)是，由于只有讀寫地址是需要在異步時(shí)鐘域之間傳遞，所以地址就有可能比預(yù)想的晚一個(gè)時(shí)鐘周期，同時(shí)意味著空或者滿標(biāo)志置位晚一個(gè)時(shí)鐘周期，但是這并不表示錯(cuò)誤導(dǎo)致了數(shù)據(jù)溢出狀況。

如果這種情況在傳遞地址到讀時(shí)鐘域時(shí)，讀邏輯將簡(jiǎn)單地認(rèn)為數(shù)據(jù)沒有寫入，且將認(rèn)為FIFO已空盡管此時(shí)FIFO已經(jīng)被寫入一個(gè)數(shù)據(jù)。這只會(huì)對(duì)總的吞吐率有一些小影響，但是不會(huì)導(dǎo)致下溢（即讀已空的FIFO）狀況發(fā)生。

同樣地，當(dāng)?shù)刂繁粋鬟f到寫時(shí)鐘域時(shí)，如果讀地址被延時(shí)了，那么寫邏輯會(huì)認(rèn)為FIFO里沒有多余空間，盡管此時(shí)FIFO還未滿。這同樣只會(huì)對(duì)總的數(shù)據(jù)吞吐率有些微小影響，卻不會(huì)造成上溢（寫已滿的FIFO）發(fā)生。

FIFO是一種足夠通用的模塊，大部分FPGA供應(yīng)商都提供了工具，可以讓客戶根據(jù)自己的要求來自動(dòng)產(chǎn)生軟核。這些用戶FIFO可以像其它IP模塊那樣由用戶手動(dòng)地在設(shè)計(jì)中例化。那么，在一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)中使用自己的FIFO時(shí)，上述討論的問題很可能將不必由設(shè)計(jì)自己來解決。當(dāng)然，同樣的問題也經(jīng)常在異步時(shí)鐘域之間傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)生，所以理解這類設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)于一個(gè)高級(jí)FPGA設(shè)計(jì)者來說非常重要。

1.5 設(shè)計(jì)分區(qū)同步器模塊

在頂層為設(shè)計(jì)劃分好設(shè)計(jì)分區(qū)是一個(gè)好的設(shè)計(jì)實(shí)踐行為，這樣任何功能模塊外面都包含一個(gè)獨(dú)立的同步器模塊。這樣有利于在劃分模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)所謂的理想時(shí)鐘域情況（即整個(gè)設(shè)計(jì)模塊只有一個(gè)時(shí)鐘），如圖15所示。

圖15：設(shè)計(jì)分區(qū)同步器模塊

對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)有很多理由。首先，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行時(shí)序分析變得簡(jiǎn)易，因?yàn)槟K都是完全的同步設(shè)計(jì)。其次，整個(gè)同步模塊中的時(shí)序例外也很容易得到定義。再次，底層模塊的同步器加時(shí)序例外在代入到設(shè)計(jì)頂層時(shí)，大大降低了由于人為失誤造成的疏漏。

所以，同步寄存器應(yīng)該在功能模塊外單獨(dú)分區(qū)。還有很多類似的設(shè)計(jì)實(shí)踐在使用FPGA作為ASIC的設(shè)計(jì)原型時(shí)得到應(yīng)用，下一節(jié)我們將再進(jìn)行詳細(xì)地討論。

二、ASIC原型設(shè)計(jì)中的門控時(shí)鐘

ASIC設(shè)計(jì)一般對(duì)功耗非常敏感，同時(shí)ASIC的時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)又非常靈活，所以會(huì)在整個(gè)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用門控時(shí)鐘在邏輯不需要活動(dòng)的時(shí)候來去使能這些邏輯。雖然使用FPGA作為ASIC的原型可以模擬整個(gè)邏輯功能，但是二者之間的有些物理屬性，如功耗方面，還是不太一樣。

那么，要求FPGA來模擬ASIC的整個(gè)低功耗優(yōu)化是沒有必要的。實(shí)際上，正是由于FPGA的粗放式的時(shí)鐘資源，讓其模擬這方面功能也是不太可能的。這一節(jié)我們將討論一些解決這個(gè)問題方法，并且再討論一些可以應(yīng)用于ASIC設(shè)計(jì)的技術(shù)來使FPGA原型設(shè)計(jì)更加容易。

2.1 時(shí)鐘模塊

如果一個(gè)ASIC設(shè)計(jì)中使用了大量的門控時(shí)鐘，建議將所有這些門控操作統(tǒng)一放在一個(gè)專門的時(shí)鐘生成模塊中，并與功能模塊隔離，如圖16所示。

圖16：統(tǒng)一的時(shí)鐘模塊

通過將時(shí)鐘門控置于一個(gè)單一的模塊，不但可以是約束處理更簡(jiǎn)單，而且當(dāng)要對(duì)FPGA原型進(jìn)行任何修改時(shí)也更容易。例如，如果設(shè)計(jì)者選擇某次編譯時(shí)刪除所有門控單元，那么一個(gè)單一的模塊里很容易實(shí)現(xiàn)。下一節(jié)我們將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.2 時(shí)鐘門控移除

有很多辦法可以從FPGA原型里刪除時(shí)鐘門控，下面的例子就顯示了一個(gè)很明顯，但卻也是很麻煩的一個(gè)方法。這個(gè)例子的代碼如下所示，該代碼是刪除FPGA原型里所有的門控功能。

如果上述代碼需要開放時(shí)鐘門控，那么在FPGA原型設(shè)計(jì)中只需要修改宏定義即可。不足之處是，任何時(shí)候要將FPGA原型轉(zhuǎn)化為ASIC設(shè)計(jì)時(shí)總是需要做出一些修改（其實(shí)就是修改宏定義）。很多設(shè)計(jì)者對(duì)此會(huì)感覺不是太舒服，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為二者使用的不是一樣的RTL。

一個(gè)更好的辦法是使用一個(gè)自動(dòng)門控刪除工具來消除任何認(rèn)為造成失誤的可能。許多現(xiàn)代的綜合工具通過正確的約束，現(xiàn)在都提供這項(xiàng)功能。例如，Synplify就有一個(gè)稱為“Fix gated clocks”選項(xiàng)，就是用于自動(dòng)地從時(shí)鐘線上將門控操作刪除，并將其移動(dòng)到數(shù)據(jù)路徑上。我們來看下面這個(gè)代碼示例：

在上面的代碼中，系統(tǒng)時(shí)鐘被一個(gè)使能信號(hào)門控產(chǎn)生一個(gè)門控時(shí)鐘。這個(gè)門控時(shí)鐘被用于驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器oDat，而oDat用于寄存器輸入iDat。如果沒有啟用“fixing the clock gating”選項(xiàng)，那么綜合工具將會(huì)直接實(shí)現(xiàn)邏輯功能，如圖17所示。

圖17：直接時(shí)鐘門控

圖17的邏輯實(shí)現(xiàn)中，在時(shí)鐘線上放置了門控操作。那么設(shè)計(jì)中現(xiàn)在有了兩個(gè)時(shí)鐘域，必須分別對(duì)它們進(jìn)行約束，而且必須分別將它們布局到時(shí)鐘資源。但是，如果啟動(dòng)了時(shí)鐘門控刪除，這個(gè)邏輯門就會(huì)比較容易地被移動(dòng)到數(shù)據(jù)路徑上，如圖18所示。

圖18：時(shí)鐘門控刪除

現(xiàn)在大部分邏輯器件里邏輯單元都提供了一個(gè)時(shí)鐘使能輸入，有了該使能輸入就可以不使用本方案。然而，如果一個(gè)特定的技術(shù)并未提供觸發(fā)器時(shí)鐘使能，那么只能使用本技術(shù)來刪除時(shí)鐘門控，只是這樣就將會(huì)在數(shù)據(jù)路徑上增加延時(shí)。

三、要點(diǎn)總結(jié)

1、時(shí)鐘同步問題通常是不可復(fù)現(xiàn)的問題，并且會(huì)給FPGA設(shè)計(jì)帶來可靠性問題。

2、亞穩(wěn)態(tài)會(huì)給FPGA帶來災(zāi)難性故障。

3、相位控制技術(shù)在一個(gè)時(shí)鐘頻率是另外一個(gè)的數(shù)倍且其中一個(gè)時(shí)鐘可以由內(nèi)部PLL或者DLL控制的時(shí)候使用。

4、打兩拍技術(shù)可用于在異步時(shí)鐘域之間同步單比特信號(hào)。

5、在打兩拍同步器中，時(shí)序分析應(yīng)該忽略第一個(gè)觸發(fā)器，同時(shí)要確保兩個(gè)同步觸發(fā)器之間的延時(shí)最小。

6、 FIFO用于在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間傳遞多比特信號(hào)。

7、格雷碼用于在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間傳遞計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)，而且多用在FIFO內(nèi)部。

8、同步寄存器應(yīng)該在功能模塊外面獨(dú)立分區(qū)。

9、如果可能，請(qǐng)盡量不要使用時(shí)鐘門控。若必須使用，請(qǐng)將所有的門控時(shí)鐘放置在一個(gè)專門的時(shí)鐘模塊中，并與其它功能模塊隔離。

編輯：jq