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跨时钟信号处理方法

news 2025/9/5 10:00:35

1. 背景

现在的芯片（比如SOC，片上系统）集成度和复杂度越来越高，通常一颗芯片上会有许多不同的信号工作在不同的时钟频率下。比如SOC芯片中的CPU通常会工作在一个频率上，总线信号（比如DRAM BUS）会工作在另一个时钟频率下，而普通的信号又会工作在另外的时钟频率下。这3个不同时钟频率下工作的信号往往需要相互沟通和传递信号。

不同时钟域下的信号传递就涉及到跨时钟域信号处理，因为相互之间的频率、相位不一样，如果不做处理或者处理不当，可能导致：

数据丢失，无法采到预期中的信号；
亚稳态的产生。

跨时钟域的信号可以分为单bit信号和多bit信号，处理方法有所不同。

2. 单bit

2.1 快时钟域到慢时钟域

2.1.1 问题

下图显示了当在一个时钟域(aclk)中生成的信号adat被送到了另一个时钟域(bclk)中采样，由于采样时间太靠近第二个时钟的上升沿时，发生的同步失败。同步失败是由于输出bdat1变为亚稳态，而在bdat1再次被采样时没有收敛到合法的稳定状态。

这里注意一下，如果是电平信号进行CDC, 那么不用考虑时钟快慢，直接用同步器就可以了，因为总能被采样到。所以，下面考虑的主要是信号位宽有限的CDC。

快时钟到慢时钟的(单bit)信号处理，主要问题就是信号在快时钟域中，可能会多次改变，这样慢时钟可能来不及采样，导致丢失数据。这个问题被称为信号宽度问题，在CDC检查工具中，如果快时钟的信号宽度不足，会报出CDC违例。

快时钟到慢时钟的(单bit)信号处理分为两种：

采样丢失是被允许的。单bit信号一般不会是这种情况，如果是这种情况，直接用同步器同步就可以了。
采样丢失不被允许。这样就要采样其他手段来保证数据不丢失。主要原理是保证快时钟域的信号宽度满足一定的条件，使得慢时钟域有足够时间采样到。

2.1.2 信号宽度的“三时钟沿”要求

那么信号在快时钟域到底需要多宽，才能保证在慢时钟域安全的被采样到呢？比较安全的宽度是，快时钟域的信号宽度必须是慢时钟域时钟周期的1.5倍以上。也就是要持续3个时钟沿以上(上升沿和下降沿都算)。这个被称为：“三时钟沿”要求。

下面是一个CDC信号只持续一个周期的例子。发送时钟域的频率高于接收时钟域，而CDC脉冲在发送时钟域中只有一个周期宽，这样CDC信号可以在慢时钟上升沿之间变动，不会被捕获到慢时钟域，如下图所示

如果CDC信号宽度超过慢时钟周期，但是不足1.5个周期，也会发生问题。如下图所示

如上图所示，信号宽度超过了一个慢时钟周期，但是可能会setup和hold time违例，导致信号采样失败。

2.1.3 信号宽度问题的解决方法

一种最简单的方法是，通过保证信号宽度满足超过慢时钟的时钟周期1.5倍，来解决这个问题。这种方法是最直接，也是跨时钟最快的方法。可以通过system Verilog加“断言”的方式来检测是否满足条件。

但是实际中很少用这种方式，因为设计可能会变，设计人员在改变设计时，可能会忘记这个限制，以为是一个通用的解决方法。所以，常用的还是通过“握手”的方式来保证数据被采样到。

通常的做法是：是发送一个使能控制信号，将它同步到新的时钟域，然后通过另一个同步器将同步信号作为确认信号传回发送时钟域。如下图所示：

优点:

同步反馈信号是一种非常安全的技术，可以识别第一个控制信号并将其采样到新的时钟域。

缺点:

在允许控制信号改变之前，在两个方向上同步控制信号可能会有相当大的延迟。也就是说，在应答信号到来之前，是不允许源信号改变的。

在实际的芯片设计中，脉冲(宽度有限)信号的同步都是采用这种握手机制来处理。

2.2 慢时钟到快时钟域

慢时钟域到快时钟域的CDC，直接使用信号同步器就可以了。很多人可能会问，为什么是两级DFF呢？一级或者三级DFF行不行呢？这里有一个平均失效间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)的考虑。MTBF时间越长，出现亚稳态的概率就越小，但是也不能完全避免亚稳态。注意采样时钟频率越高，MTBF可能会迅速减小。

有文献给出的数据：对于一个采样频率为200Mhz的系统，如果不做同步MTBF是2.5us，一级DFF同步的MTBF大概是23年，两级DFF同步的大约MTBF大概是640年，MTBF越长出错的概率越小。所以一级看上去不太稳，二级差不多够用了，至于三级可能会影响到系统的性能，而且增加面积，所以看上去没什么必要。

但是，这里有一点要指出来，那就是怎么才算慢时钟域到快时钟域的CDC呢？这里和平常理解的有点不一样。

目标时钟频率必须是源时钟频率1.5倍或者以上，才能算慢时钟到快时钟的CDC.

这也很好理解，只有满足快1.5倍以上，才能满足“三时钟沿”的要求，才能保证快时钟域保证能够采样到慢时钟域的脉冲。如果目标时钟域只快一点，比如1~1.5倍之内，为了保险起见，请按照1.1中快时钟到慢时钟域的处理方法来处理。

另外，有的设计中为了保险和以后修改的方便；或者还不清楚时钟之间的关系；都会按照1.1中的方式来进行单bit的CDC处理。

3. 多bit

在两个时钟域之间传递多个信号，简单的同步器已经不能满足要求。工程师经常容易犯的错误是，直接用简单同步器来同步多个信号。

这里列出两个信号分别通过同步器同步后，在目标时钟域聚合后使用的场景。问题是两个同步器，跨时钟的延时可能不一样，比如信号从2’b00->2’b11, 上面的同步器花了2个周期同步到了目标时钟域；下面的同步器花了3个周期才同步到目标时钟域。那么在第二和第三周期之间，就出现了2’b10的值了，即出现了错误的采样信号，这样功能有可能就不正确了。

另外，不同同步器的芯片上的走线也可能不同，导致延时不一样。即使我们完美的控制后端不同bit同步信号的走线长度一样，同一个die上面不同芯片之间或者不同制程之间的偏差，都可能引入差异，导致多bit信号的延时不同。而且这样对后端走线难度增大。

考虑到以上两点，多个信号的CDC一般不用简单同步器的方法。在CDC检查时，会有专门的规则来检查是否采样了多bit信号用同步器同步聚合使用的情况。

为了避免多位CDC倾斜采样的情况，多个信号CDC策略可以分为三种:

多周期路径法。使用同步负载信号安全地传递多个CDC位。
使用格雷码传递多个CDC位。
使用异步FIFO来传递多位信号。

3.1 多周期路径（Multi-Cycle Path, MCP）

下图中显示了在时钟域之间传递的两个编码控制信号。如果这两个编码信号在采样时略有偏差，则在接收时钟域中的一个时钟周期内可能会产生错误的解码输出。

多位数据问题可以用“多周期路径法(MCP)”来解决。MCP方法是指直接不同步将数据发送到目标时钟域，但是同时送一个同步过的控制信号到目标时钟域。数据和控制信号同时发送，允许数据在目标寄存器的输入端进行设置，同时控制信号在到达目标寄存器的负载输入端之前做同步。

MCP方法的优点:

不需要在发送时钟域计算适当的脉冲宽度
发送时钟域只需要将enable toggle到接收时钟域，表示数据已经被传递完成，已经准备好被加载。使能信号不需要返回到初始逻辑电平。

MCP方法的实质就是，不同步多位的数据，只同步一位的控制信号，通过握手保证控制信号能够正确传输，然后在目标时钟域通过控制信号来采样数据。MCP需要用到“同步脉冲器”：

同步脉冲器的符号表示如下：

多周期路径法有两种方法来传递多位信号：

3.1.1 带反馈的MCP

3.1.2 带应答反馈的MCP

多周期路径法的思想十分有用，但是实际中用来传递多位信号比较少见，因为逻辑过于复杂。但是MCP方法用来传递单bit的信号却十分有用。这里就不展开讲了，有兴趣的可以参考最后的参考文档中的描述。

3.2 格雷码

对于计数器的CDC, 大部分是不必要的。如果一定需要，那么可以使用格雷码。格雷码每次只允许更改一个位，从而消除了跨时钟域同步更改多个CDC位所带来的问题。格雷码和二进制码之间的转换是一种很成熟的技术，很容易就能找到现成的代码，这里就不在详细描述。

需要注意的是：格雷码必须是计数到2^n才是每次改变一个bit。

如果计数器是从0~5计数，那么从5->0的计数，不止一个bit改变，就失去了只改变一个bit的初衷。格雷码最常见的应用是在异步FIFO中，通常异步FIFO的深度都是2^N，原因就是上面说的。所以，就算浪费面积，也需要把FIFO深度设置为2^N。

3.3 通过AFIFO进行多位信号CDC

多位信号CDC的工程上的一般做法都是采用异步FIFO，这里有一个特殊的应用，那就是深度为2的AFIFO，来进行多bit数据的CDC. 如下图所示：

2个寄存器搭建的AFIFO，地址只需要一位。相比MCP方法，逻辑简单，可以复用AFIFO代码，而且延时也比MCP方法小。所以多bit仅仅跨时钟域，不需要进行数据吞吐率匹配(FIFO的重要功能之一)的情况，推荐用深度为2的AFIFO来实现，而不是MCP方法。