CDC跨時(shí)鐘域的基礎(chǔ)概念

CDC（Clock Domain Crossing）跨時(shí)鐘域

在一款芯片中多個(gè)時(shí)鐘域非常常見，跨時(shí)鐘域檢查至關(guān)重要。本篇記錄的是CDC跨時(shí)鐘域的基礎(chǔ)概念。

時(shí)鐘域clock domain：以寄存器捕獲的時(shí)鐘來劃分時(shí)鐘域。

單時(shí)鐘域single clock domain，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是同一個(gè)時(shí)鐘

多時(shí)鐘域multiple clock domain，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是不是同一個(gè)時(shí)鐘

同步 & 異步

是否為同一個(gè)時(shí)鐘通過同步和異步來判定。

同步時(shí)鐘：同源，有固定的相位關(guān)系

異步時(shí)鐘：不同源，沒有固定的相位關(guān)系

那么問題來了

問題1: 有兩個(gè)時(shí)鐘是通過兩個(gè)時(shí)鐘源出來，但是頻率和相位相同，那么它們是否為同步時(shí)鐘？

不是，不同的時(shí)鐘源出來頻率相同，但隨著時(shí)鐘的偏移和抖動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致相位的不確定性。所以是異步時(shí)鐘。

問題2: 有兩個(gè)時(shí)鐘是通過同一個(gè)時(shí)鐘源分頻出來的，但他們的頻率不同，那么它們是否為同步時(shí)鐘？

是同步時(shí)鐘，時(shí)鐘的同步關(guān)系與頻率無關(guān)，只要是同源、有固定的相位關(guān)系，就是一組同步時(shí)鐘。不需要做異步時(shí)鐘處理，做跨時(shí)鐘域處理。

Jitter & Skew

時(shí)鐘抖動(dòng)（Clock Jitter）：兩個(gè)時(shí)鐘周期之間存在的差值，這個(gè)誤差是在時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān)，使得時(shí)鐘周期在不同的周期上可能加長或縮短。

時(shí)鐘偏移（Clock Skew）：同一個(gè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)不同的寄存器之間的時(shí)間差值，Skew的定義就是時(shí)鐘最長路徑減去最短路徑的值。由于布線長度及負(fù)載不同引起。

區(qū)別：Jitter是在時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān)，布線對(duì)其沒有影響。Skew是由不同布線長度導(dǎo)致的不同路徑的時(shí)鐘上升沿到來的延時(shí)不同。

跨時(shí)鐘域

一個(gè)電路的launch時(shí)鐘和capture時(shí)鐘不是同一個(gè)時(shí)鐘，就是跨時(shí)鐘域。

兩個(gè)時(shí)鐘是同步時(shí)鐘就是同步時(shí)鐘域。

兩個(gè)時(shí)鐘是異步時(shí)鐘就是異步時(shí)鐘域。

亞穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器無法在某個(gè)確定的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)，帶來功能錯(cuò)誤

如何處理亞穩(wěn)態(tài)？

降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率

用速度更快的FF

引入同步機(jī)制，防止亞穩(wěn)態(tài)傳播

改善時(shí)鐘質(zhì)量，用邊沿快速變化的時(shí)鐘信號(hào)

亞穩(wěn)態(tài)需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，二級(jí)寄存器可以增加一個(gè)clock cycle的時(shí)間使亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定。如果一個(gè)clock cycle后，亞穩(wěn)態(tài)還未穩(wěn)定，第二級(jí)輸出就還可能是亞穩(wěn)態(tài)。

需要注意的是，兩級(jí)寄存器并不能完全隔離亞穩(wěn)態(tài)，但可以極大的概率隔離了亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。

而且，亞穩(wěn)態(tài)不是糾錯(cuò)，如果產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，那么采樣值可能是不正確的，兩級(jí)寄存器或多級(jí)寄存器級(jí)聯(lián)只是防止亞穩(wěn)態(tài)在時(shí)序電路中傳播擴(kuò)散。

根據(jù)MTBF Mean Time Between Failure 平均故障時(shí)間，推薦電路頻率500MHz以下用兩級(jí)觸發(fā)器，500MHz以上用三級(jí)觸發(fā)器。

編輯：黃飛