CDC（Clock Domain Crossing，時鐘穿越）有很多的論文都討論過這個主題。本文主要從原理上分析一下為什么CDC是問題、常用的CDC設(shè)計思路。不能算權(quán)威總結(jié)，只是對工作幾年CDC設(shè)計的經(jīng)驗的一個總結(jié)。

源起：建立時間和保持時間

集成電路設(shè)計專業(yè)的同學(xué)期末考試肯定考過“setup time"或者”hold time"的定義，這個也是應(yīng)屆畢業(yè)生面試數(shù)字集成電路設(shè)計崗位的“明牌”必面題目。

先回顧一下setup time（建立時間）和hold time （保持時間）的定義：

建立時間（t su ) 是在時鐘翻轉(zhuǎn)（對于正沿觸發(fā)寄存器為0→1的翻轉(zhuǎn)）之前數(shù)據(jù)輸入（D）必須有效的時間。

維持時間（t hold ）是在時鐘邊沿之后數(shù)據(jù)輸入必須仍然有效的時間。

對于單一時鐘的電路進(jìn)行 時序分析 ，最主要是為了滿足這些條件。

比如，說你的設(shè)計時序“很緊張”，往往是兩級寄存器之間的組合邏輯很多，延時很長。從上一級的數(shù)據(jù)傳到下一級時，無法滿足下一級的建立時間。我們這個時候需要做時序修復(fù)（timing fix)。

單時鐘這個問題比較好考慮，因為數(shù)據(jù)什么時候開始發(fā)送是明確的——上一個時鐘沿——我們能夠有很多辦法去修復(fù)時序。（比如前文推送的“模板”）

但對于多時鐘設(shè)計（異步電路），從一個時鐘域向另一個時鐘域送數(shù)據(jù)，時鐘（周期）不同，在一個時鐘域隨時隨刻都可能收到另外時鐘域的數(shù)據(jù)，這自然是不能滿足建立時間的。

不滿足建立時間，那么數(shù)據(jù)的傳輸就會失敗。何謂“失敗”？就是我想傳一個數(shù)據(jù)1過去，我可能成功的傳了個1，也可能傳了個0，也可能我不知道傳了什么值。

不滿足建立時間，簡單的理解就是：目標(biāo)時鐘域（dest. clock) 的時鐘沿和發(fā)起時鐘域的數(shù)據(jù)（src. clock)來的時間 很接近 ，而時鐘沿和數(shù)據(jù)的誰先誰后錯開一點，傳輸?shù)较乱患壍臄?shù)據(jù)就是完全不一樣，這種不同這是不可接受的。

因為不滿足建立時間，我的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)的、不可預(yù)知的、不精確的。對于單個寄存器而言，我們叫做 亞穩(wěn)態(tài) （Metastability)。

總結(jié)一下： 在數(shù)據(jù)從一個時鐘域向另一個時鐘域傳輸時，無法滿足建立時間，數(shù)據(jù)在被目標(biāo)時鐘域寄存器采值時，會進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，無法準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù) 。

我們用 時鐘穿越 （CDC，Clock Domain Crossing)來描述我們現(xiàn)在處理的這種情況。把所有的這種問題都叫做 時鐘穿越問題 （CDC issue)。

隨著工藝技術(shù)的迭代，很多的公司的集成電路項目出現(xiàn)錯誤，都是出現(xiàn)在CDC的解決方法有問題，或者驗證不夠充分上。

本章節(jié)先討論1比特的情況。

那如何解決“1bit的時鐘穿越”問題呢？

既然根子上是亞穩(wěn)態(tài)的問題，那我就破掉亞穩(wěn)態(tài) 。

破掉亞穩(wěn)態(tài)有很多種方法，方法都是讓數(shù)據(jù)來到目標(biāo)時鐘域的時鐘沿之前穩(wěn)定住。

延長源信號的方法（不推薦）：

我要傳輸1，那我就在源時鐘域?qū)π盘?持續(xù)上拉；我要傳輸0，那我就在源時鐘域?qū)π盘?持續(xù)下拉。換句話說，就是讓想傳的數(shù)據(jù)1和0都維持“ 足夠長 ”的時間——長到我這個時鐘沿采不到，下個時鐘沿肯定能采到。

這就是我們看很多年前"老代碼"中很普遍的方法：延長源信號長度。比如對源信號連續(xù)打多少拍，然后“或”起來組成一個信號使用。

或者干脆不做任何處理直接穿越，前提是能夠證明雖然這個信號是一個CDC信號，但是不會輕易改變（比如寄存器初始化之后的一個控制信號，只會在初始化階段改變）。

延長源信號方法總結(jié)：

1. 很多老的設(shè)計是直接CDC使用，或者打多拍然后進(jìn)行傳輸。

2. 優(yōu)點：簡單，邏輯比較少

3. 缺點：

   3.1.如果源信號的 前提假設(shè)發(fā)生變化 ，容易出現(xiàn)bug。如第二代設(shè)計的時鐘頻率比變化，或者一個不輕易改變的配置信號（control signal）“與”上了一個經(jīng)常變的控制信號。不經(jīng)過仔細(xì)驗證，維持原有設(shè)計，很容易出“大“問題。

   3.2.邏輯雖然簡單，但是設(shè)計不具有通用性。比如你需要對不同時鐘頻率比例的進(jìn)行不同的打拍。

4. 所有可以用“延長源信號”方法的地方，都可以加上同步器（syncer）邏輯 ，這更加保險。

5. 總結(jié)：除非維護(hù)不好修改的歷史代碼，新代碼不推薦。

同步器（synchronizer, syncer)

那破掉亞穩(wěn)態(tài)還有什么辦法呢？

方法很簡單，就是在目標(biāo)時鐘域 加速穩(wěn)定過程 。

D觸發(fā)器是一個簡單的加速穩(wěn)定的簡單結(jié)構(gòu)。雖然1級D觸發(fā)器，可能不滿足建立時間，但是后面再跟一個D觸發(fā)器，就會 使不穩(wěn)態(tài)要么迅速變化為傳輸0，要么迅速變化為傳輸1 。

兩級D觸發(fā)器的串聯(lián)，就是一個簡單的同步器（synchronizer, 或者syncer，或者Sync2D)。

A synchronizer is a device that samples an asynchronous signal and outputs a version of the signal that has transitions synchronized to a local or sample clock."

這種穩(wěn)定是概率性的，與工藝相關(guān)的。穩(wěn)定下來而不是處于亞穩(wěn)態(tài)的時間，有數(shù)學(xué)上的MTBF（平均失敗時間）公式進(jìn)行計算。在日常的設(shè)計中，一般工藝廠會告知你的一個參數(shù)公式（或者是一個查找表），輸入你的輸入輸出頻率，就能查找到在當(dāng)前工藝下的MTBF，然后比對MTBF的要求決定是不是選擇SYNC2D(打兩拍的同步器)。

如果SYNC2D不滿足MTBF的要求，那么就再接一級D觸發(fā)器，組成SYNC3D（打三拍的同步器）。SYNC3D的MTBF比SYNC2D會長許多數(shù)量級。（我在前東家做一個設(shè)計，同樣的時鐘頻率，查MTBF表SYCN2D的MTBF是10天，SYNC3D的平均失敗時間是50年……）

我在過去做14nm工藝下的設(shè)計，項目主管就要求所有的SYNC2D替換為SYNC3D。

我們這里暫時用SYNC2D作為例子（SYNC3D同理）。

同步器有什么好處？

能夠安全的排除亞穩(wěn)態(tài)。

同步器有什么壞處或者局限？

目的時鐘域會晚幾個周期。

這個不算是個問題，既然是跨時鐘域的，晚兩三個周期沒什么問題。

** 數(shù)據(jù)傳過來，對SYNC2D而言，會delay2個周期或者3個周期。** 也就是說你不能確定是2個周期后還是3個周期后能傳過目標(biāo)數(shù)據(jù)來。對于單比特沒有問題，對于多比特存在對齊的問題。 同步器 只能保證數(shù)據(jù)沒有亞穩(wěn)態(tài)，不能保證是正確數(shù)據(jù) 。

怎么理解呢？就是說，你給我同步器什么數(shù)據(jù)，我都能給你穩(wěn)住。但是 你若給我的是錯誤的值，這不能怨我 。

例如，在這個周期給同步器輸入端一個信號1，同步器在能給你穩(wěn)到0或者1，你只要在發(fā)送端的下個周期還給同步器1就好了。經(jīng)過同步器一走，給個干凈的1給你。

同步器的正確前提是，信號必須穩(wěn)定足夠長的時間（能夠持續(xù)上拉，或者下拉）。

那么多長算長呢？前人理論已經(jīng)有了研究結(jié)論了。在同步器設(shè)計理論中，叫做”1.5x規(guī)則“或者”三沿規(guī)則“： 輸入端的信號長度，至少是1.5倍接收時鐘周期的長度，或者三個接收時鐘沿的長度 。

滿足了這個規(guī)則，因為是三個邊沿，那么肯定會有一個安全的上升沿可以采到。

這是非常重要的一個規(guī)則。只要滿足了這一規(guī)則，同步器就是安全的。

使用同步器本身，可能會漏采或者多采。

其實這只是上一個要點的延伸。同步器是一個穩(wěn)定單元，只能做到”穩(wěn)“，你需要“穩(wěn)+準(zhǔn)”，這超出了同步器的能力范圍，需要加上一些配合電路才能工作。但幾乎所有的CDC電路在時鐘穿越的核心邏輯，同步器都包含其中。