同步與異步電路信號(hào)交互的問題

1.同步電路設(shè)計(jì)

2.全異步電路設(shè)計(jì)

3.異步信號(hào)與同步電路交互的問題及其解決方法

4.SoC設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘規(guī)劃策略

1.同步電路設(shè)計(jì)

同步電路，即電路中的所有受時(shí)鐘控制的單元，如觸發(fā)器（Flip Flop）或寄存器（Register），全部由一個(gè)統(tǒng)一的全局時(shí)鐘控制。

同步電路的時(shí)序收斂

觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間

同步電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

在同步設(shè)計(jì)中，EDA工具可以保證電路系統(tǒng)的時(shí)序收斂，有效避免了電路設(shè)計(jì)中競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象

由于觸發(fā)器只有在時(shí)鐘邊緣才改變?nèi)≈?，很大限度地減少了整個(gè)電路受毛刺和噪聲影響的可能

同步電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)

時(shí)鐘偏斜（Clock Skew）

時(shí)鐘樹綜合，需要加入大量的延遲單元，使得電路的面積和功耗大大增加

時(shí)鐘抖動(dòng)（Clock Jitter）

時(shí)鐘偏斜

2.全異步電路設(shè)計(jì)

全異步設(shè)計(jì)跟同步設(shè)計(jì)最大的不同就是它的電路中的數(shù)據(jù)傳輸可以在任何時(shí)候發(fā)生，電路中沒有一個(gè)全局的或局部的控制時(shí)鐘。

異步電路設(shè)計(jì)的基本原理

自定時(shí)的流水線數(shù)據(jù)通路

握手協(xié)議

握手協(xié)議原理

異步電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

模塊化特性突出

對(duì)信號(hào)的延遲不敏感

沒有時(shí)鐘偏斜問題

有潛在的高性能特性

好的電磁兼容性

具有低功耗的特性異步電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)

設(shè)計(jì)復(fù)雜

缺少相應(yīng)的EDA工具的支持

在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用異步電路設(shè)計(jì)

3.異步信號(hào)與同步電路交互的問題及其解決方法

3.1亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象

亞穩(wěn)態(tài)示意圖 亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)的傳播

亞穩(wěn)態(tài)問題的解決及其RTL實(shí)現(xiàn)

亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的解決方法

modulesynchronizer(
bclk,//目的時(shí)鐘，與aclk異步的時(shí)鐘
reset_b,//全局異步復(fù)位信號(hào)
adat,//異步輸入信號(hào)，工作在aclk
bdat,//同步器輸出
);
inputbclk;
inputreset_b;
inputadapt;
outputbdat;
wirebdat;
regbdat1;
regbdat2;
always@(posedgebclkornegedgereset_b)
if(reset_b)
{bdat2,bdat1}<=?2?'?b0;
else
????{bdat2,bdat1}?<=?{bdat1,adat};
assign?bdat?=?bdat2;
endmodule

3.2快時(shí)鐘同步慢時(shí)鐘域下的異步控制信號(hào)

快時(shí)鐘同步慢時(shí)鐘信號(hào)示意圖

modulesynchronizer(
clk_fst,
reset_b,
rd_en,
rd_en_s2f
);
inputclk_fst,reset_b,rd_en
outputrd_en_s2f;
wirerd_en_s2f;
regrd_en_s2f1,rd_en_s2f2,rd_en_s2f3
always@(posedgeclk_fstornegedgereset_b)
if(!reset_b)
{rd_en_s2f3,rd_en_s2f2,rd_en_s2f1}<=?3'b111;
????else
???    {rd_en_s2f3,rd_en_s2f2,rd_en_s2f1}<={rd_en_s2f2,rd_en_s2f1,rd_en};
always?@?(rd_en_s2f3??or??rd_en_s2f2)
????case?({rd_en_s2f3,rd_en_s2f2})
????????????2'b01:
????????????????rd_en_s2f?<=?1'b1;????????
????????????default:
????????????????rd_en_s2f?<=?1'b0;
?????endcase

3.3慢時(shí)鐘同步快時(shí)鐘域下的異步控制信號(hào)

慢時(shí)鐘同步快時(shí)鐘信號(hào)示意圖

解決辦法 : 握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)方法一

moduleadapt_gen(
aclk,//快時(shí)鐘
reset_b,//系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)
adat,//原始控制信號(hào)
abdat2, //從慢時(shí)鐘域反饋回來的同步控制信號(hào)
adat1 //經(jīng)過保持后的信號(hào)輸出
);
inputaclk,reset_b,adat,abdat2;
outputadat1;
regadat1;
always@(posedgeaclkornegedgereset_b)
if(!reset_b)
adat1<=?1'b0;????
????else?if?(abdat2)
??????????adat1?<=?1'b0;
????else if?(adat)
??????????adat1?<=?1'b1;
endmoudule?

解決辦法 : 握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)方法二

modulestall_logic(
rd_en,
rd_en_
ack_s2f,
stall_b
);
inputrd_en;
inputrd_en_ack_s2f;
outputstall_b;
wirestall_b;
always@(rd_enorrd_en_ack_s2f)
if(rd_en_ack_s2f)
stall_b<=?1'b1;
else if?(rd_en)
????stall_b?<=?1'b0;
else
????stall_b?<=?1'b1;
endmodule

3.4異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)同步

握手機(jī)制

握手同步異步數(shù)據(jù)

先入先出隊(duì)列（FIFO）

FIFO結(jié)構(gòu)圖 FIFO空滿示意圖

同步異步時(shí)鐘FIFO的電路行為

待同步的數(shù)據(jù)時(shí)鐘域會(huì)在其寫信號(hào)的控制之下，將數(shù)據(jù)寫入到FIFO中

目的時(shí)鐘域在發(fā)現(xiàn)空標(biāo)志位無效后，執(zhí)行FIFO讀動(dòng)作，讀出被異步時(shí)鐘域?qū)懭隖IFO的數(shù)據(jù)

如果只要同步一個(gè)數(shù)據(jù)，空標(biāo)志位再次有效

如果需要同步多個(gè)數(shù)據(jù)，因?yàn)镕IFO的讀/寫之間可以不受影響的進(jìn)行，所以待同步

FIFO設(shè)計(jì)中的亞穩(wěn)態(tài)問題

通常，通過比較讀/寫指針是否相等來判斷FIFO是否為空。而因?yàn)樽x/寫指針屬于不同的時(shí)鐘域，兩者顯然不能直接連到比較器的兩端來產(chǎn)生空信號(hào)，否則會(huì)造成讀FIFO的目的時(shí)鐘域的電路碰到亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象.

解決辦法

以格雷碼編碼表示讀/寫指針，用格雷碼加法器來實(shí)現(xiàn)讀/寫地址的加一動(dòng)作

用同步器將讀指針同步到FIFO滿標(biāo)志的產(chǎn)生邏輯，同樣用同步器將寫指針同步到FIFO空標(biāo)志的產(chǎn)生邏輯中

新的異步FIFO的結(jié)構(gòu)框圖

4.SoC設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘規(guī)劃策略

首先盡可能使用同步設(shè)計(jì)：

對(duì)于同步電路，邏輯綜合和時(shí)鐘樹綜合等EDA工具能發(fā)揮更大的作用，可以用靜態(tài)時(shí)序分析工具分析單時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)的時(shí)序收斂問題

可測性設(shè)計(jì)（DFT）的插入工作得到最大的簡化

其次，注意同步電路設(shè)計(jì)的缺陷

噪聲問題

時(shí)鐘樹上的功耗很大

如果必須采用不同的時(shí)鐘，則要注意

后端設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，如約束條件中要考慮多周期路徑（Multi Cycle Path）

可測性設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)中需要有多條獨(dú)立的掃描鏈

越多的時(shí)鐘域，發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率就會(huì)越大

最后，設(shè)計(jì)規(guī)劃中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

盡可能將不同時(shí)鐘域的數(shù)量減到越少越好

盡可能將異步交互電路歸入同一或多個(gè)獨(dú)立的模塊，這樣不但方便后端設(shè)計(jì)腳本的書寫，也方便代碼的閱讀

盡可能避免使用電平觸發(fā)器（Latch），因?yàn)殪o態(tài)時(shí)序分析會(huì)變得復(fù)雜，不能得到EDA工具很好的支持

盡可能減小時(shí)鐘樹的延時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)延時(shí)可能會(huì)造成系統(tǒng)功能失效和多余的功耗；

任何異步時(shí)鐘域交互的環(huán)節(jié)都要盡可能避免亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象.

審核編輯：湯梓紅