跨時(shí)鐘域( Clock Domain Crossing，CDC )通俗地講，就是 模塊之間數(shù)據(jù)交互時(shí)用的不是同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ，如下圖所示：左邊的模塊FA由C1驅(qū)動(dòng)，屬于C1時(shí)鐘域；右邊的模塊FB由C2驅(qū)動(dòng)，屬于C2時(shí)鐘域。

跨時(shí)鐘域信號(hào)處理問題，首先要考慮的就是亞穩(wěn)態(tài)問題。

為了使觸發(fā)器正常工作，輸入信號(hào)和時(shí)鐘必須滿足觸發(fā)器的建立和保持時(shí)間要求。在上面的圖2中，信號(hào)A與目標(biāo)時(shí)鐘域C2是異步的，因?yàn)镃1和C2屬于不同時(shí)鐘域。一旦遇到異步信號(hào)進(jìn)入時(shí)鐘域，就不太可能滿足建立和保持時(shí)序約束，因此觸發(fā)器可能以進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。在下圖中，F(xiàn)A的輸出信號(hào)A變化非常接近C2的時(shí)鐘邊緣，因此違反了FB的建立時(shí)間要求， 它可能導(dǎo)致目標(biāo)觸發(fā)器FB違反setup或hold時(shí)間。輸出信號(hào)B可能會(huì)振蕩不確定時(shí)長。因此輸出是不穩(wěn)定的，也可能會(huì)在C2的下一個(gè)時(shí)鐘邊緣到達(dá)之前穩(wěn)定到某個(gè)值，這種現(xiàn)象被稱為亞穩(wěn)態(tài)。

如果輸入信號(hào)A變化非常接近時(shí)鐘C2的上升沿，那么目標(biāo)觸發(fā)器的輸出是亞穩(wěn)態(tài)的。因此，可能最終穩(wěn)定到信號(hào)B1和B2所描述的1或0。

處理跨時(shí)鐘域**（CDC）信號(hào)同步**的最常見方法之一是使用同步器電路。同步器電路的目的是通過最小化亞穩(wěn)態(tài)的可能性和增加MTBF來保護(hù)下游邏輯。其中一個(gè)基本的同步器電路是 兩級(jí)觸發(fā)器同步器 （也稱為2-FF同步器）。

2-** FF同步器處理跨時(shí)鐘域信號(hào)同步**

兩級(jí)觸發(fā)器同步器是一種電路，其中兩個(gè)觸發(fā)器在目標(biāo)時(shí)鐘域中背靠背連接。如果第一個(gè)觸發(fā)器由于建立/保持沖突而進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，則第二個(gè)觸發(fā)器會(huì)提供足夠的時(shí)間讓第一個(gè)觸發(fā)器脫離亞穩(wěn)態(tài)。從理論上講，當(dāng)?shù)诙€(gè)FF對(duì)值進(jìn)行采樣時(shí)，第一個(gè)FF可能仍處于亞穩(wěn)態(tài)，因此可以對(duì)不正確的值進(jìn)行采樣，使用超過2級(jí)FF作為同步器（3或4級(jí)FF），可以增加MTBF。

2-FF同步器電路非常適合單比特控制信號(hào)的同步 ，其中輸入切換速率小于目標(biāo)時(shí)鐘頻率，換句話說，如果目標(biāo)時(shí)鐘頻率超過源時(shí)鐘頻率的1.5倍，則不會(huì)丟失數(shù)據(jù) 。但是，如果源和目標(biāo)時(shí)鐘頻率幾乎相同或目標(biāo)時(shí)鐘頻率較慢，則源必須保持其值穩(wěn)定，以便目標(biāo)捕獲它，然后再更改為下一個(gè)值。這可以通過 握手時(shí)鐘域交叉 （CDC）技術(shù)來處理。

握手機(jī)制處理跨時(shí)鐘域信號(hào)同步

在握手技術(shù)中，源時(shí)鐘域?qū)?*“請(qǐng)求”信號(hào)**發(fā)送到使用 2-FF同步器的目標(biāo)域。一旦目標(biāo)域收到請(qǐng)求，它就會(huì)向源域發(fā)送“ack”信號(hào)，該源域使用 2-FF 同步器進(jìn)行同步。ack 信號(hào)向源時(shí)鐘域指示目標(biāo)已收到該值，源時(shí)鐘域可以更新其值。握手機(jī)制有許多實(shí)現(xiàn)版本，但原理保持不變: 同步request和ack信號(hào) 。request信號(hào)將在總線上指示一個(gè)新值即將發(fā)送，ack信號(hào)將指示可以更新數(shù)據(jù)總線。

上述機(jī)制在接口的帶寬使用方面確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)于握手機(jī)制，數(shù)據(jù)總線在接收ack信號(hào)時(shí)無法更新，存在瓶頸，可以使用雙時(shí)鐘異步FIFO來解決這個(gè)問題。正確設(shè)計(jì)的FIFO可以增加整個(gè)接口的帶寬，同時(shí)仍然保持跨時(shí)鐘域的可靠通信。

異步FIFO可以被視為數(shù)據(jù)容器，其中發(fā)送方以源時(shí)鐘速率將數(shù)據(jù)寫入，接收器以目標(biāo)時(shí)鐘速率彈出數(shù)據(jù)。FIFO的深度應(yīng)該足夠，以便它不能溢出或下溢數(shù)據(jù)。

異步FIFO處理跨時(shí)鐘域信號(hào)同步

時(shí)鐘異步FIFO需要用到雙端口SRAM，一個(gè)控制寫入指針（數(shù)據(jù)應(yīng)在SRAM中寫入的地址）的源代碼控制塊，一個(gè)生成讀取指針（應(yīng)在SRAM中讀取數(shù)據(jù)的地址）的目標(biāo)控制塊和二進(jìn)制到格雷碼編碼器塊以及2-FF同步器電路。指針由各自的控制塊作為循環(huán)緩沖區(qū)進(jìn)行管理。但是，要知道何時(shí)寫入（FIFO 未滿）和何時(shí)讀?。‵IFO 不為空），源時(shí)鐘、目標(biāo)時(shí)鐘控制塊需要分別具有讀取和寫入指針信號(hào)。將指針傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘域并非易事。由于指針是多位信號(hào)，因此直接使用2-FF同步器不是一個(gè)好的選擇。因此，兩個(gè)指針都通過二進(jìn)制到格雷碼編碼塊傳遞。這確保了在傳輸值時(shí)，只有矢量的一個(gè)位從一個(gè)時(shí)鐘更新到另一個(gè)時(shí)鐘，從而消除了在時(shí)鐘邊沿上同步多位總線的問題。