fpga系列 HDL：跨时钟域同步 双触发器同步器

• 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) beginif (!rst_n) beginsync_ff1 <= 1'b0;sync_ff2 <= 1'b0;end else beginsync_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endendassign 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) beginif (!rst_n) begincounter <= 8'b0;end else if (sync_signal) begincounter <= counter + 1'b1; // 增加计数器endendendmodule

• 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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) beginif(~RSTN) begin// 复位时将中间同步寄存器和最终同步寄存器都置为0SPI_OPEN_LOOP_sync_int  <= 1'b0;SPI_OPEN_LOOP_sync      <= 1'b0;endelse 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;endendfifo #(.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} : {4'b0,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