深刻理解跨時(shí)鐘域的三個(gè)主要問題和解決方案

如今，SoCs正變得越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)經(jīng)常從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘域。

上圖信號(hào)A由C1時(shí)鐘域觸發(fā)，被C2時(shí)鐘域采樣。 根據(jù)這兩個(gè)時(shí)鐘之間的關(guān)系，在將數(shù)據(jù)從源時(shí)鐘傳輸?shù)侥繕?biāo)時(shí)鐘時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不同類型的問題，并且這些問題的解決方案也有所不同。

本文討論了不同類型的跨時(shí)鐘域，以及每種類型中可能遇到的問題及其解決方案。 在接下來(lái)的所有部分中，都直接使用了上圖所示的信號(hào)名稱。 例如，C1和C2分別表示源時(shí)鐘和目標(biāo)時(shí)鐘。 類似地，A和B分別被用作源觸發(fā)器輸出和目標(biāo)觸發(fā)器輸出。 此外，源和目標(biāo)觸發(fā)器被假定為正沿觸發(fā)。

跨時(shí)鐘域問題

本節(jié)描述了在出現(xiàn)跨時(shí)鐘域時(shí)可能出現(xiàn)的三個(gè)主要問題，然后還描述了這些問題的解決方案。

A.亞穩(wěn)態(tài)問題。

如果信號(hào)A上的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在非常接近時(shí)鐘C2的邊沿處，它可能會(huì)導(dǎo)致在目標(biāo)觸發(fā)器“FB”處的setup 或hold 違反。 結(jié)果，輸出信號(hào)B進(jìn)行無(wú)限振蕩。 因此，輸出是不穩(wěn)定的，在C2的下一個(gè)時(shí)鐘邊緣到達(dá)之前也可能會(huì)穩(wěn)定到某個(gè)穩(wěn)定的值。這種現(xiàn)象被稱為亞穩(wěn)態(tài)，或者說觸發(fā)器“FB”已經(jīng)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，亞穩(wěn)態(tài)又會(huì)產(chǎn)生以下后果：

1、如果不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)被輸入到設(shè)計(jì)中的其他幾個(gè)地方，它可能會(huì)導(dǎo)致大電流，在最壞的情況下甚至導(dǎo)致芯片燒壞。

2、不同的 fan-out可能會(huì)讀取不同的信號(hào)值，并可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)進(jìn)入未知的功能狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)功能問題。

3、目標(biāo)時(shí)鐘域輸出可能穩(wěn)定到新值或返回到舊值。 然而，傳播延遲可能很高，會(huì)導(dǎo)致時(shí)序問題。

如下圖，如果輸入信號(hào)A在非常接近C2時(shí)鐘的上升沿翻轉(zhuǎn)，則目標(biāo)觸發(fā)器的輸出可以是亞穩(wěn)態(tài)的。 因此，它可以不穩(wěn)定，并可能最終穩(wěn)定到信號(hào)B1和B2所描述的1或0。

可以通過在目標(biāo)域中添加同步器來(lái)避免亞穩(wěn)態(tài)問題。 同步器允許振蕩在足夠的時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)，并確保在目標(biāo)時(shí)鐘域獲得穩(wěn)定的輸出。 一個(gè)常用的同步器是一個(gè)級(jí)聯(lián)觸發(fā)器，如下圖所示。

該結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)計(jì)中的控制信號(hào)和單比特?cái)?shù)據(jù)信號(hào)。 多位的數(shù)據(jù)信號(hào)需要其他類型的同步方案，如MUX recirculation、握手和FIFO。

B.數(shù)據(jù)丟失

每當(dāng)生成一個(gè)新的源數(shù)據(jù)時(shí)，由于亞穩(wěn)態(tài)性，它可能不會(huì)在目標(biāo)時(shí)鐘的第一個(gè)周期中被目標(biāo)域捕獲。只要源信號(hào)上的每個(gè)翻轉(zhuǎn)都在目標(biāo)域中被捕獲，數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失。為了確保這一點(diǎn)，源數(shù)據(jù)應(yīng)在一段最短的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，以便滿足對(duì)目標(biāo)時(shí)鐘的至少一個(gè)邊沿的setup 和hold 時(shí)間的要求。

如果C1和C2的時(shí)鐘邊沿非常靠近，則在源數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)之后的C2的第一個(gè)時(shí)鐘邊沿?zé)o法捕獲它。 該數(shù)據(jù)最終被時(shí)鐘C2的第二個(gè)時(shí)鐘邊沿捕獲，如下圖所示。

但是，如果在數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)和時(shí)鐘C2的邊沿之間有足夠的時(shí)間，則在C2的第一個(gè)周期捕獲數(shù)據(jù)。 因此，源時(shí)鐘域數(shù)據(jù)和目標(biāo)時(shí)鐘域數(shù)據(jù)之間可能不會(huì)一一對(duì)應(yīng)。 無(wú)論如何，一般情況下源數(shù)據(jù)上的每個(gè)翻轉(zhuǎn)都應(yīng)該在目標(biāo)時(shí)鐘域中被捕獲。

假設(shè)源時(shí)鐘C1的速度是目標(biāo)時(shí)鐘C2的兩倍，并且這兩個(gè)時(shí)鐘之間沒有相位差。 進(jìn)一步假設(shè)在時(shí)鐘C1的正邊沿生成的輸入數(shù)據(jù)序列“A”為“00110011”。 在時(shí)鐘C2的正邊沿捕獲的數(shù)據(jù)B將為“0101”。 在這里，由于信號(hào)A上的所有翻轉(zhuǎn)都被B捕獲了，所以數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

但是，如果輸入序列為“00101111”，則目標(biāo)域中的輸出將為“0011”。 這里輸入序列中的第三個(gè)數(shù)據(jù)值“1”丟失。

為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)應(yīng)該在源時(shí)鐘域中保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間不變，以便在目標(biāo)時(shí)鐘域中正確捕獲。 換句話說，在源數(shù)據(jù)上的每次轉(zhuǎn)換之后，至少有一個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘邊沿應(yīng)該到達(dá)沒有違反setup或hold的地方，以便在目標(biāo)時(shí)鐘域中正確地捕獲源數(shù)據(jù)。

C. 數(shù)據(jù)一致性

如前一節(jié)所示，每當(dāng)在源時(shí)鐘域中生成新數(shù)據(jù)時(shí)，可能需要1個(gè)或多個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘周期來(lái)捕獲它。 考慮這樣一種情況，即多個(gè)信號(hào)從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘域，并且每個(gè)信號(hào)使用多級(jí)觸發(fā)器同步器分別進(jìn)行同步。 如果所有信號(hào)同時(shí)發(fā)生變化，并且源時(shí)鐘和目標(biāo)時(shí)鐘邊沿接近，那么一些信號(hào)可能在第一個(gè)時(shí)鐘周期中在目標(biāo)域中被捕獲，而另一些信號(hào)可能通過亞穩(wěn)態(tài)在第二個(gè)時(shí)鐘周期中被捕獲。 這可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)端信號(hào)上的值組合無(wú)效。 也就是說，在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性已經(jīng)丟失了。

如果這些信號(hào)一起控制著設(shè)計(jì)的某些功能，那么這種無(wú)效的狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致功能錯(cuò)誤。

例如：假設(shè)“00”和“11”是由時(shí)鐘C1生成的信號(hào)X[0：1]的兩個(gè)有效值。 最初在X的兩個(gè)位上都有一個(gè)從1->0的過渡。 這兩個(gè)轉(zhuǎn)變?cè)诘谝粋€(gè)周期本身都被時(shí)鐘C2捕獲。 因此，信號(hào)Y變成了“00”。

接下來(lái)，在信號(hào)X的兩個(gè)比特位上都有一個(gè)從0->1的轉(zhuǎn)換。 在這里，時(shí)鐘C2的上升沿接近于信號(hào)X的翻轉(zhuǎn)。 X[0]上的翻轉(zhuǎn)在第一個(gè)時(shí)鐘周期中被捕獲，而X[1]上的翻轉(zhuǎn)在C2的第二個(gè)時(shí)鐘周期中被捕獲。 這將導(dǎo)致Y[0：1]上的一個(gè)中間值為“10”，這是一個(gè)無(wú)效的狀態(tài)。 在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性丟失了。

在上面的示例中，問題的原因是所有比特沒有在相同的目標(biāo)時(shí)鐘周期中捕獲。 如果所有比特在同一周期中保留其原始值或更新值，則設(shè)計(jì)要么保持原始狀態(tài)，要么進(jìn)入正確的新狀態(tài)（參考異步FIFO）。

如果電路的設(shè)計(jì)方式是，在將設(shè)計(jì)從一種狀態(tài)更改到另一種狀態(tài)時(shí)，只需要更改一個(gè)位，那么該位將更改為一個(gè)新值或者保留原始值。 由于所有其他位在這兩種狀態(tài)下都有相同的值，所以在這種情況下，完整的總線要么變?yōu)樾轮?，要么保留原始值?/p>

這反過來(lái)又意味著，如果總線是格雷編碼的，那么這個(gè)問題將會(huì)得到解決，并且將永遠(yuǎn)不會(huì)得到一個(gè)無(wú)效的狀態(tài)。

但是，這僅適用于控制總線，因?yàn)闊o(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行格雷編碼。在這種情況下，可以使用握手、FIFO和MUX recirculation（如下圖）等其他技術(shù)來(lái)生成一個(gè)公共的控制邏輯來(lái)正確地傳輸數(shù)據(jù)。

這里，在源時(shí)鐘域中產(chǎn)生的控制信號(hào)EN使用多級(jí)觸發(fā)器同步器在目標(biāo)域中進(jìn)行同步。同步控制信號(hào)EN_Sync驅(qū)動(dòng)mux的選擇引腳，從而控制總線A所有位的數(shù)據(jù)傳輸。通過這種方式，總線的各個(gè)位不會(huì)單獨(dú)同步，因此不存在數(shù)據(jù)不一致性。但是，重要的是要確保當(dāng)控制信號(hào)被激活時(shí)，源域數(shù)據(jù)A[0：1]應(yīng)保持不變。

審核編輯：湯梓紅