【CDC】跨时钟域处理方法总结一

一、概述

1.异步时序

异步时序就是一个设计中有多个时钟，每个时钟的源头不一样，即：多个时钟之间无确定性关系，称为异步时序

2.亚稳态与建立保持时间

建立时间：在时钟有效沿到达之前数据保持稳定的时间
保持时间：在时钟有效沿到达之后数据保持稳定的时间
（为啥有建立保持时间要求见：寄存器为什么有建立保持时间要求）
建立时间和保持时间组成时间窗，如果信号在这个时间窗中间发生变化，则信号有效沿采样数据得到的结果是不可预知的，即亚稳态。
亚稳态：指触发器无法在某个规定的时间段内达到一个确定的状态，介于0和1之间。亚稳态是可以传输的，导致逻辑误判系统不稳定。亚稳态是无法消除的，只能被降低。

二、跨时钟域处理

1.控制信号的跨时钟域处理（单bit数据）

a.慢时钟域到快时钟域

这里的慢时钟域到快时钟域，需要满足：目标时钟频率必须是源时钟频率1.5倍及以上，才能算慢时钟域到快时钟域。这种情况下只需要考虑跨时钟域的情况，一般根据电路的工作频率，芯片所采用的工艺，决定打2拍或3拍，即常规的同步寄存器。电路图如下：（这里以2拍寄存器为例）

b.快时钟域到慢时钟域

注：目标时钟频率是源时钟频率的1~1.5倍，还是按照“快时钟域到慢时钟域”的方法来处理，目的是为了保险起见
快时钟域到慢时钟域除了要处理亚稳态问题，还要防止漏采，因为如果是快时钟域中的单脉冲信号，那么慢时钟域可能无法采样到该信号

握手“扩宽”快时钟域脉冲

如图所示：clkf为快时钟域，clks为慢时钟域。快时钟域信号asyin_f经过寄存器r1，穿到慢时钟域，经过r2，r3两级寄存器打拍后反馈回快时钟域，r1的输入在接收到反馈回的信号之后才拉低，通过“握手”实现asyin_f信号的扩宽，时序图如下所示：

时钟停止法

如图所示，时钟停止法与握手法类似，都是快时钟域信号到慢时钟域被正确采样后，反馈回快时钟域。只是时钟停止法，是通过在异步信号到来之后，将r1的输出拉高之后将r1的时钟停掉，这时由于时钟下一个有效沿未到达，r1寄存器的输出保持高电平不变，直到慢时钟域的信号反馈回来之后，r1寄存器的时钟才开始正确翻转，r1寄存器的输出才更新。通过这种方法也能扩宽asyin_f信号，保证其能正确被慢时钟域采样，时序图如下所示：

窄脉冲捕捉电路

这种方法比上面两种方法更节约寄存器资源，该方法通过异步脉冲信号驱动寄存器r1输出拉高，当r1为高之后，asyin_f已经停止（单脉冲），因此寄存器r1的输出保持为高不斌，然后等待慢时钟域信号拉低寄存器r1的输出（clr信号，高电平有效），时序图如下所示：

注：上面三种方法中，第二种和第三种方法都会对寄存器时钟进行操作，在实际设计中需要综合考虑。

2.数据信号的跨时钟域处理（多bit数据）

（1）开环结绳法（脉冲同步）

开环结绳的方法：
  • 在一个数据的起始端和结束端，发送两个脉冲（clka时钟域）
  • 第一个脉冲来，就hold一个信号，直到第二个脉冲到来，把hold信号拉低（hold_clka）
  • 在clkb时钟域采样hold_clka信号，得到hold_clkb
  • 将hold_clkb恢复成两个脉冲，根据这两个脉冲来采样clka时钟域的数据

（2）闭环结绳法

闭环结绳的方法：
  • 在数据起始端，clka拉起hold，为hold_clka
  • clkb采样hold_clka，得到hold_clkb，恢复为一个脉冲，对该数据采样，反馈该脉冲到clka
  • clka得到该脉冲，拉低hold_clka；同步到clkb，拉低hold_clkb

（3）异步FIFO（推荐使用）

异步FIFO的设计见 Verilog实现异步FIFO&异步FIFO常见问题集锦