0.引言

大四保研到實(shí)驗(yàn)室正好碰到師兄師姐們找工作，聽到的一些面試常問的內(nèi)容就是“跨時(shí)鐘域”、”異步處理“、”異步FIFO“等。然而我看的一些經(jīng)典的書籍都是這樣說的”異步電路很難設(shè)計(jì)，最好全部使用同步技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有寄存器器使用一個(gè)全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)“?？稍趯?shí)際項(xiàng)目中，我又發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中很難只使用一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘分頻邏輯、時(shí)鐘選擇多路器，除了多時(shí)鐘，有時(shí)還必須在兩個(gè)不同的時(shí)鐘間傳遞數(shù)據(jù)。也就是異步電路處理問題（兩個(gè)沒有特定關(guān)系的時(shí)鐘傳遞數(shù)據(jù)被認(rèn)為是異步的）。”異步電路很復(fù)雜“會(huì)有很多設(shè)計(jì)的不確定性。

1.亞穩(wěn)態(tài)

時(shí)序邏輯中大量使用D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的一般結(jié)構(gòu)是：兩個(gè)串聯(lián)的反相器加兩個(gè)傳輸門構(gòu)成鎖存器，兩個(gè)鎖存器串聯(lián)構(gòu)成D觸發(fā)器。D觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)電路，兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)”1“、”0“。兩個(gè)反向器構(gòu)成的反饋回路可能會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

圖 1-1 兩個(gè)反向器反饋回路輸出特性

如圖1-1所示，當(dāng)電壓處于兩個(gè)曲線的交叉點(diǎn)時(shí)，在沒有任意外部干擾的情況下，電路將保持此狀態(tài)不變，也就是進(jìn)入了亞穩(wěn)態(tài)。實(shí)際電路不可能完全沒有外部干擾，在外部干擾下，電路可能會(huì)重新趨于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。(ps：從特性曲線看，如果上升和下降斜率越大，電路能越快從亞穩(wěn)態(tài)電路中恢復(fù)過來。)

圖 1-2 雙穩(wěn)態(tài)圖示

建立時(shí)間保持時(shí)間

建立時(shí)間：為了保證觸發(fā)器可靠的接受輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要在時(shí)鐘上升沿到來之前保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。

保持時(shí)間：時(shí)鐘有效沿后，數(shù)據(jù)還需要保持的最小時(shí)間。

圖 1-3 建立保持時(shí)間與亞穩(wěn)時(shí)間窗

建立時(shí)間保持時(shí)間方程

Tco+Tcomp+Tsu<=T+Tskew;

Tco+Tcomp>=Thd+Tskew;

亞穩(wěn)態(tài)

如果不能滿足最小建立時(shí)間或最小保持時(shí)間，DFF輸出將是不定狀態(tài)，或在高低電平之間震蕩，幾進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

亞穩(wěn)態(tài)：指觸發(fā)器無(wú)法在某個(gè)規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。但觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無(wú)法預(yù)測(cè)改單元輸出電平，也無(wú)法預(yù)測(cè)何時(shí)才能穩(wěn)定在某個(gè)正確電平上。

圖 1-4 亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間窗

如圖所示，當(dāng)在輸入數(shù)據(jù)在亞穩(wěn)時(shí)間窗變化時(shí)，Tco增大，在Tco_max之后還沒有穩(wěn)定的情況就是亞穩(wěn)態(tài)。

2.異步數(shù)據(jù)傳輸

異步數(shù)據(jù)傳輸可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)，如圖2-1所示

圖 2-1 異步數(shù)據(jù)傳輸

兩個(gè)時(shí)鐘CLK1和CLK2沒有相關(guān)性，無(wú)法保證DFF1的輸出在DFF2上能滿足建立保持時(shí)間。CLK1的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺LK2上可能發(fā)生以下情況：

1）滿足建立保持時(shí)間，數(shù)據(jù)正確接收

2）實(shí)際的建立時(shí)間小于臨界時(shí)間點(diǎn)，數(shù)據(jù)無(wú)法接收

3）數(shù)據(jù)實(shí)際建立時(shí)間不滿足建立時(shí)間，但大于臨界時(shí)間點(diǎn)，數(shù)據(jù)Tco增大。

4）數(shù)據(jù)越接近臨界時(shí)間點(diǎn)變化，延時(shí)時(shí)間越大，相差很小時(shí)，輸出無(wú)法預(yù)測(cè)，噪聲可使結(jié)果出現(xiàn)隨機(jī)性。

圖 2-2 異步傳輸亞穩(wěn)態(tài)時(shí)序

在CLK1和CLK2沒有任何關(guān)系的情況下，Q1可能在CLK2上升沿的任何時(shí)候跳變，DFF2輸出必定有一定的概率進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，一旦DFF2進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，Tco增大，當(dāng)Tco增大到大于T+Tskew-Tcomb-Tsu時(shí)，DFF2到DFF3會(huì)產(chǎn)生建立時(shí)間違例，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)傳播。

圖 2-3 亞穩(wěn)態(tài)測(cè)量電路

通過改變時(shí)鐘周期，可測(cè)得一系列不同Tco的MTBF值。

3.異步處理電路

針對(duì)不同的異步數(shù)據(jù)可以采用不同的同步處理方式。

1）電平信號(hào)：多級(jí)串聯(lián)的DFF（2級(jí)以上）。

2）脈沖信號(hào)：

①在慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘域傳遞，且連個(gè)時(shí)鐘相差比較大時(shí)，慢時(shí)鐘的脈沖可以被快時(shí)鐘當(dāng)做電平，使用電平同步技術(shù)同步后，在采用邊沿檢測(cè)電路即可得到相應(yīng)的脈沖信號(hào)。

②快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘，使用脈沖同步器，下圖給出了兩個(gè)電路，不歸0翻轉(zhuǎn)電路，反饋清0電路

3)多bit數(shù)據(jù)：使用握手協(xié)議或者異步FIFO。在握手協(xié)議中，異步的REQ/ACK需要使用上述同步技術(shù)進(jìn)行同步處理，異步FIFO也是如此。關(guān)于FIFO涉及的內(nèi)容比較多，后續(xù)專門講解。