跨時(shí)鐘域處理的亞穩(wěn)態(tài)與同步器

數(shù)字電路設(shè)計(jì)中遇到跨時(shí)鐘域（Clock Domain Crossing, CDC）的電路時(shí)一般都需要特別的處理，例如同步器，異步FIFO等。那么為什么CDC需要特別的處理，如果不做處理又會(huì)導(dǎo)致什么問題。

亞穩(wěn)態(tài)

我們都知道數(shù)字電路中有兩個(gè)最重要的概念，建立時(shí)間和保持時(shí)間。通過(guò)滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，我們可以確保信號(hào)被正確的采樣，即1采到便是1，0采到便是0。但是如果不滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，采到的信號(hào)會(huì)進(jìn)入一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，無(wú)法確定是1還是0，我們稱之為亞穩(wěn)態(tài)。這個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的信號(hào)會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)處于震蕩狀態(tài)，直到穩(wěn)定，而穩(wěn)定后的狀態(tài)值與被采樣值無(wú)關(guān)，可能是0也可能是1。

圖1【1】所示的是異步時(shí)鐘采樣失敗的情況。當(dāng)數(shù)據(jù)（adat）的變化離采樣時(shí)鐘（bclk）的變化沿很近時(shí)，由于不滿足建立時(shí)間，導(dǎo)致采樣到的信號(hào)（bdat1）進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

異步時(shí)鐘由于時(shí)鐘相位不同，圖1的情況往往難以避免，這也是跨時(shí)鐘域時(shí)容易發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的原因。

亞穩(wěn)態(tài)會(huì)導(dǎo)致什么問題

由于亞穩(wěn)態(tài)的信號(hào)會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)處于震蕩狀態(tài)，后續(xù)不同的邏輯可能會(huì)將該信號(hào)識(shí)別為不同的狀態(tài)值，甚至是后續(xù)邏輯也出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的情況，導(dǎo)致邏輯的錯(cuò)誤和混亂，比如狀態(tài)機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤的跳轉(zhuǎn)從而鎖死在某個(gè)狀態(tài)。

同步器

最常用的同步器是兩級(jí)觸發(fā)器，如圖2【1】：

第一級(jí)觸發(fā)器采樣后出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，第二級(jí)觸發(fā)器在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期的等待之后采樣到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的信號(hào)，達(dá)到消除不定態(tài)的目的。不過(guò)要注意，這樣的同步器只是減小了亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率，并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。而亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率的大小一般可以用MTBF（Mean Time Between Faliure）來(lái)表示。MTBF的值越小表示亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的頻率越高。

圖3【2】表示了MTBF的影響因子，可以看到，當(dāng)時(shí)鐘頻率越高，數(shù)據(jù)發(fā)生變化的頻率越高，MTBF越小，即亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的頻率也越高。

對(duì)于一些高頻電路設(shè)計(jì)，兩級(jí)觸發(fā)器所構(gòu)成的同步器MTBF仍然很小，這時(shí)候可以考慮再添加一級(jí)觸發(fā)器，即使用三級(jí)觸發(fā)器。另外，我們也希望當(dāng)數(shù)據(jù)被異步時(shí)鐘采樣時(shí)數(shù)據(jù)的變化頻率也盡可能小，因此一般數(shù)據(jù)在跨時(shí)鐘域之前最好可以用寄存器打一拍，減少數(shù)據(jù)的變化，從而減小亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。

值得注意的是，同步器的使用只是消除了不定態(tài)，但是同步器的輸出仍然可能是錯(cuò)誤的，可能被采樣的信號(hào)是1，但是同步器輸出的確是0。這樣的錯(cuò)誤是否是電路可以接受的要依據(jù)不同的設(shè)計(jì)來(lái)看，這便涉及到另外一個(gè)話題，如何使系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的錯(cuò)誤不敏感，本文暫不討論。

審核編輯：郭婷