fpga系列 HDL：跨时钟域同步 双触发器同步器

目录双触发器同步器Two-Flip-Flop Synchronizer示例代码双触发器同步器的优缺点优点缺点适用场景应用实例同步来自spi_slave的单个使能信号跨时钟域的设计需要特别小心以避免亚稳态问题。双触发器同步器2-Flip-Flop Synchronizer是一种简单且广泛应用的时钟域交叉CDC同步方法用于将一个时钟域中的信号同步到另一个时钟域中。它通过使用两个触发器级联确保信号在跨越不同时钟域时以指数平方级别降低因为时钟的不匹配导致不稳定或亚稳态metastability发生的概率。双触发器同步器Two-Flip-Flop Synchronizer示例代码module nocdc ( input wire clk_dst, // 目标时钟域时钟 input wire async_signal, // 来自源时钟域的异步信号 input wire rst_n, // 异步复位信号低电平有效 output reg sync_signal, // 同步后的信号 output reg [7:0] counter // 计数器输出 ); reg sync_ff1, sync_ff2; // 使用双触发器进行同步 always (posedge clk_dst or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sync_ff1 1b0; sync_ff2 1b0; end else begin sync_ff1 async_signal; // 第一阶段采样异步信号 sync_ff2 sync_ff1; // 第二阶段消除亚稳态 end end assign sync_signal sync_ff2; // 输出同步后的信号 // 使用同步后的信号更新计数器 always (posedge clk_dst or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin counter 8b0; end else if (sync_signal) begin counter counter 1b1; // 增加计数器 end end endmodule第一寄存器sync_ff1捕获来自源时钟域的信号可能处于亚稳态。第二寄存器sync_ff2采样sync_ff1将信号稳定到目标时钟域。双触发器同步器的优缺点优点简单高效双触发器同步器结构简单通常只需要两个 D 型触发器因此在资源使用上非常高效。低延迟与其他更复杂的同步方法如 FIFO相比双触发器同步器的延迟较低。减少亚稳态的风险通过两个触发器级联可以有效降低亚稳态的发生概率因为第二个触发器会提供额外的稳定化时间。缺点仅适用于低频信号双触发器同步器适用于频率差异较小的时钟域交叉。如果时钟域的频率差异过大可能会导致信号丢失或同步失败。无法处理高数据率如果跨时钟域的数据速率较高双触发器同步器可能无法有效同步所有数据。可能的延迟虽然延迟较小但依然会引入一个时钟周期的延迟。适用场景双触发器同步器特别适合同步单比特控制信号或低速数据例如用于处理外部输入的控制信号、状态标志或较慢的时钟信号。在高数据率的应用中如 SPI、I2C、UART 等接口可能需要更复杂的同步方法如 FIFO 缓存等。应用实例同步来自spi_slave的单个使能信号使能信号SPI_OPEN_LOOP为非同步信号scheduler的开环配置信号输入(SPI_OPEN_LOOP)来自spi_slave,scheduler实现如下// https://github.com/ChFrenkel/tinyODIN/blob/main/scheduler.v // 一个调度器Scheduler模块且相较于原始的ODIN调度器移除了旋转FIFO相关功能 // scheduler.v - Scheduler module, rotating FIFOs removed from the original ODIN scheduler // // Project: tinyODIN - A low-cost digital spiking neuromorphic processor adapted from ODIN. // // Author: C. Frenkel, Delft University of Technology // Cite/paper: C. Frenkel, M. Lefebvre, J.-D. Legat and D. Bol, A 0.086-mm² 12.7-pJ/SOP 64k-Synapse 256-Neuron Online-Learning // Digital Spiking Neuromorphic Processor in 28-nm CMOS, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, // vol. 13, no. 1, pp. 145-158, 2019. module scheduler #( parameter N 256, parameter M 8 )( input wire CLK, input wire RSTN, input wire CTRL_SCHED_POP_N, input wire [3:0] CTRL_SCHED_VIRTS, input wire [7:0] CTRL_SCHED_ADDR, input wire CTRL_SCHED_EVENT_IN, input wire [M - 1:0] CTRL_NEURMEM_ADDR, input wire NEUR_EVENT_OUT, // 来自SPI配置寄存器的输入信号声明此处接收SPI的开环配置信号用于特定调度配置 input wire SPI_OPEN_LOOP, output wire SCHED_EMPTY, output wire SCHED_FULL, output wire [11:0] SCHED_DATA_OUT ); // 用于对SPI_OPEN_LOOP信号进行同步处理的寄存器声明(双同步寄存器) reg SPI_OPEN_LOOP_sync_int, SPI_OPEN_LOOP_sync; wire push_req_n; wire empty_main; wire full_main; wire [11:0] data_out_main; //---------------------------------------------------------------------------------- // SPI信号同步逻辑部分采用同步屏障机制对SPI_OPEN_LOOP信号进行同步处理 // 确保该信号在时钟域内稳定可靠避免亚稳态等问题在复位低电平有效和时钟上升沿时进行操作 //---------------------------------------------------------------------------------- always (posedge CLK, negedge RSTN) begin if(~RSTN) begin // 复位时将中间同步寄存器和最终同步寄存器都置为0 SPI_OPEN_LOOP_sync_int 1b0; SPI_OPEN_LOOP_sync 1b0; end else begin // 在正常时钟上升沿时先将SPI_OPEN_LOOP信号同步到中间寄存器 SPI_OPEN_LOOP_sync_int SPI_OPEN_LOOP; // 再将中间寄存器的值同步到最终同步寄存器形成两级同步 SPI_OPEN_LOOP_sync SPI_OPEN_LOOP_sync_int; end end fifo #( .width(12), .depth(128), .depth_addr(7) ) fifo_spike_0 ( .clk(CLK), .rst_n(RSTN), .push_req_n(full_main | push_req_n),// 推送请求 .pop_req_n(empty_main | CTRL_SCHED_POP_N),// 弹出请求 // 根据不同条件组合数据输入到FIFO若有事件输入则组合虚拟相关信息和地址信息作为输入数据否则用神经元地址信息作为输入 .data_in(CTRL_SCHED_EVENT_IN? {CTRL_SCHED_VIRTS,CTRL_SCHED_ADDR} : {4b0,CTRL_NEURMEM_ADDR}), .empty(empty_main), .full(full_main), .data_out(data_out_main) ); // 推送请求控制逻辑根据SPI_OPEN_LOOP_sync信号以及神经元事件输出等情况来决定是否允许推送数据 // 当SPI_OPEN_LOOP_sync为低电平且有神经元事件输出或者有控制器的事件输入时允许推送数据push_req_n为低电平 assign push_req_n ~((~SPI_OPEN_LOOP_sync NEUR_EVENT_OUT) | CTRL_SCHED_EVENT_IN); assign SCHED_DATA_OUT data_out_main; assign SCHED_EMPTY empty_main; assign SCHED_FULL full_main; endmodule