一、簡(jiǎn)要概述：

在芯片設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)系統(tǒng)通常是同步電路和異步電路并存，這里經(jīng)常會(huì)遇到CDC也就是跨時(shí)鐘域處理的問題，常見的處理方法，可能大家也已經(jīng)比較熟悉了，主要有單bit跨時(shí)鐘處理、多bit跨時(shí)鐘處理兩大類，本文以一個(gè)總線全握手跨時(shí)鐘域處理為例解析，單bit和多bit跨時(shí)鐘處理。這里需要注意是多bit含義比較廣泛和總線不是一個(gè)概念，如果多個(gè)bit之間互相沒有任何關(guān)系，其實(shí)，也就是位寬大于1的單bit跨時(shí)鐘處理問題，如果多個(gè)bit之間有關(guān)系，作為一個(gè)整體，那么我們就叫做總線。因此，大家常說的“多bit跨時(shí)鐘處理”也就是總線跨時(shí)鐘處理。

二、總線全握手應(yīng)用場(chǎng)景：

適用慢速總線信號(hào)跨時(shí)鐘域。慢到快，快到慢均可，只要保證源信號(hào)更新時(shí)間大于同步時(shí)間即可。同步周期為6或者8個(gè)慢時(shí)鐘周期。

三、總線全握手原理框圖：

總線全握手跨時(shí)鐘域原理圖如下所示，使用了兩個(gè)單bit同步器模塊，因?yàn)槭钦?qǐng)求和響應(yīng)都是電平信號(hào)，所以這里采用單bit同步器（寄存器打2拍或者3拍）。這里反饋過來的dst_ack_sync信號(hào)，經(jīng)過一定處理可以得到src_req和sync_ok信號(hào)，圖中我未畫出。可以確定的是當(dāng)請(qǐng)求和響應(yīng)均為低電平時(shí)，表明一次同步完成。

兩級(jí)觸發(fā)器同步原理：假設(shè)第一級(jí)觸發(fā)器的輸入不滿足其建立保持時(shí)間，它在第一個(gè)脈沖沿到來后輸出的數(shù)據(jù)就為亞穩(wěn)態(tài)，那么在下一個(gè)脈沖沿到來之前，其輸出的亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)在一段恢復(fù)時(shí)間后必須穩(wěn)定下來，而且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)必須滿足第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間，如果都滿足了，在下一個(gè)脈沖沿到來時(shí)，第二級(jí)觸發(fā)器將不會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，因?yàn)槠漭斎攵说臄?shù)據(jù)滿足其建立保持時(shí)間。同步器有效的條件：第一級(jí)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)后的恢復(fù)時(shí)間 + 第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間 < = 時(shí)鐘周期。

注意：在芯片設(shè)計(jì)中，單bit同步器通常不是私自直接打兩拍處理的，而是使用專用的同步器單元，這樣做的好處是方便后端（PR）可以把兩級(jí)觸發(fā)器視為一個(gè)整體，把兩級(jí)觸發(fā)器放的很近（線延時(shí)比較?。?。這是因?yàn)槟芨玫臐M足第二級(jí)觸發(fā)器建立時(shí)間，有效的減少亞穩(wěn)態(tài)傳播。

四、總線全握手仿真測(cè)試 ：

場(chǎng)景1：源時(shí)鐘100Mhz，目的時(shí)鐘25Mhz，2級(jí)同步器。

從上圖可以看出，同步完成需要6個(gè)目的時(shí)鐘周期，也就是說完成一次全握手需要6個(gè)目的時(shí)鐘周期的時(shí)間，這就要求源時(shí)鐘數(shù)據(jù)信號(hào)的更新時(shí)間，必須大于同步時(shí)間。如果變化太快中間的數(shù)據(jù)會(huì)漏采。

場(chǎng)景2：源時(shí)鐘25Mhz，目的時(shí)鐘100Mhz，2級(jí)同步器

從上圖可以看出，同步完成需要6個(gè)源時(shí)鐘周期，也就是說完成一次全握手需要6個(gè)源時(shí)鐘周期的時(shí)間，這就要求源時(shí)鐘數(shù)據(jù)信號(hào)的更新時(shí)間，必須大于同步時(shí)間。如果變化太快中間的數(shù)據(jù)會(huì)漏采。

場(chǎng)景3：源時(shí)鐘25Mhz，目的時(shí)鐘100Mhz，3級(jí)同步器

從上圖可以看出，同步完成需要8個(gè)源時(shí)鐘周期，也就是說使用3級(jí)同步器完成一次全握手需要6+2個(gè)源時(shí)鐘周期的時(shí)間。

結(jié)論：在使用總線全握手同步器時(shí)，不管源時(shí)鐘與目的時(shí)鐘多大，同步的時(shí)間均是慢時(shí)鐘的6個(gè)時(shí)鐘周期，如果使用3級(jí)同步器則是8個(gè)慢速時(shí)鐘周期。這就要求源時(shí)鐘信號(hào)不能變化太快。

原文標(biāo)題：CDC(一) 總線全握手跨時(shí)鐘域處理

文章出處：【微信公眾號(hào)：FPGA自習(xí)室】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq