跨時鐘域的亞穩(wěn)態(tài)的應(yīng)對措施三種解決方案

個人疑惑

在學(xué)習(xí) “跨時鐘域的亞穩(wěn)態(tài)的應(yīng)對措施” 時，常會看到有三種解決方案：

單bit信號，用：打兩拍

多bit信號，用：異步FIFO

多bit信號，用：格雷碼

多bit信號，用：握手

記是記住了，但我有好幾個疑惑一直沒理解，網(wǎng)上沖浪卻搜不到答案、還是非常困惑…

以下是我的疑惑：

為什么用“打兩拍”來應(yīng)對跨時鐘域的亞穩(wěn)態(tài)，“打一拍” 不行嗎？

為什么說，用“打兩拍”只是降低了亞穩(wěn)態(tài)的概率，但也有可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的傳遞呢？

若后接了個FF，隨著posedge clk的出現(xiàn)，觸發(fā)器不應(yīng)該直接就采到0或1了嗎，為啥亞穩(wěn)態(tài)還有一定概率傳遞呢？

假設(shè)是DFF（D觸發(fā)器），其亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的值，會恢復(fù)為正確的預(yù)期輸出值嗎？還是就算穩(wěn)定了也是無效輸出？

即使 “打兩拍”能阻止“亞穩(wěn)態(tài)的傳遞”，但亞穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致后續(xù)FF sample到的值依然不一定是符合預(yù)期的值，那 “錯誤的值” 難道不依然會向后傳遞，從而造成錯誤的后果嗎？

多bit的跨時鐘域情況用 異步FIFO處理，好理解；格雷碼有啥用嘞？

格雷碼可以讓相鄰二進(jìn)制數(shù)變化只改變1位，但在多bit的data傳輸過程中，data value不都是隨機(jī)變化么，格雷碼有啥用嘞？

主要是前面關(guān)于打兩拍的疑惑，網(wǎng)上沖浪找不到解答的帖子。

網(wǎng)上只有兩個核心的回答，但對我這樣的數(shù)電小白，完全是沒有回答到我個人解惑的點(diǎn)子上，但解惑后再看，會有新的收獲：

打兩拍的目的：第一拍是異步信號轉(zhuǎn)同步，第二拍是防止亞穩(wěn)態(tài)的傳遞。

我聽了還是很迷。(￣▽￣)"

打一拍和打兩拍和打三拍的區(qū)別：用觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的平均故障時間間隔MTBF進(jìn)行計算，證明打拍數(shù)增加，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的可能性遞減：打一拍直接用，很可能出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)輸出；打兩拍再直接用，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率是109年出現(xiàn)一次（具體計算參數(shù)見reference）；打三拍再直接俄用，出現(xiàn)的概率更低，但是除非超高頻率不然沒必要。

可見reference：跨時鐘域同步，為什么兩級寄存器結(jié)構(gòu)能夠降低亞穩(wěn)態(tài)？

那我個人疑惑呢，最后在外網(wǎng) stack exchange 上解答了——這個老哥居然和我的疑問一毛一樣！實在是欣慰，久旱逢甘霖…(￣▽￣)"

Stack Exchange上的回答：How does 2-ff synchronizer ensure proper synchonization?

（不知為什么用firefox不顯示問題圖片，用chrome才顯示圖片…）

于是，我打算用自己的話，記錄一下它的問題與回答，也回答我個人的疑惑~

概念補(bǔ)充

什么是亞穩(wěn)態(tài) metastable state？

首先要闡述一下亞穩(wěn)態(tài)的概念。

元器件在現(xiàn)實運(yùn)行時，觸發(fā)器輸出的邏輯0/1需要時間跳變，而不是瞬發(fā)的。因此，若未滿足此cell的建立時間、保持時間，其輸出值則為中間態(tài)，那在logic上可能算成0也可能算成1很難講（波形顯示上可能是毛刺、振蕩、固定值等），這就是亞穩(wěn)態(tài)。

一般波形圖像上，1是高電平，0是低電平；但微觀的亞穩(wěn)態(tài)波形如下：

如圖所示：亞穩(wěn)態(tài)的輸出波形會卡在中間，過一段時間后，可能穩(wěn)定成1，也可能穩(wěn)定成0，但都和原預(yù)期值沒啥關(guān)系了，是無效的！

單bit信號，應(yīng)用“打兩拍”的電路結(jié)構(gòu)圖

這張圖，給出了兩個點(diǎn)：

“打兩拍”后可以直接接組合邏輯電路。

我之前以為后面必接時序電路，相當(dāng)于后面的電路也是觸發(fā)器，于是產(chǎn)生了：“把打兩拍改成打一拍，算上后面的時序電路，不也是相當(dāng)于打兩拍嗎” 這樣的愚蠢困惑…(￣▽￣)"

下方的波形給了“打兩拍能大概率防止亞穩(wěn)態(tài)傳遞”的圖示：

由于異步data變的太突然，第一拍sample后出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，第三拍sample后把亞穩(wěn)態(tài)堵住了，得到正常電平（但值不一定和原預(yù)期相同）。

解惑環(huán)節(jié)

綜上，可以解答我之前的3個疑惑了：

為什么用“打兩拍”來應(yīng)對跨時鐘域的亞穩(wěn)態(tài)，“打一拍” 不行嗎？

如打兩拍的電路結(jié)構(gòu)圖所示：打一拍的話，若第一拍sample到亞穩(wěn)態(tài)，則后續(xù)組合邏輯電路的輸入直接就是亞穩(wěn)態(tài)波形，肯定會把亞穩(wěn)態(tài)傳遞下去，就完犢子了。

為什么說，用“打兩拍”只是降低了亞穩(wěn)態(tài)的概率，但也有可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的傳遞呢？

如前面的兩張亞穩(wěn)態(tài)的波形所示，亞穩(wěn)態(tài)如果在1T內(nèi)穩(wěn)定成高電平或低電平了（概率80%），那第2拍就sample到正常的0或1；若亞穩(wěn)態(tài)1T最后還是中間態(tài)，那第2拍還是可能出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的，但概率低。

亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定需要多久，具體時間由工藝決定。

假設(shè)是DFF（D觸發(fā)器），其亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的值，會恢復(fù)為正確的預(yù)期輸出值嗎？還是就算穩(wěn)定了也是無效輸出？

如前面的亞穩(wěn)態(tài)微觀波形所說：即使亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定了，值也無效。

剩下倆疑惑，大頭講。見下文。

打兩拍的sample到錯誤數(shù)據(jù)怎么辦

sample亞穩(wěn)態(tài)，結(jié)果可能多樣

sample亞穩(wěn)態(tài)，得到的結(jié)果可能取決于亞穩(wěn)態(tài)最后穩(wěn)定于什么狀態(tài)，如下圖表示出各種sample的可能：

如圖所示，adat是實際的異步data、bq1_dat是兩級觸發(fā)器中的第一個寄存器sample的數(shù)據(jù)、bq2_dat是第二個寄存器sanple到的數(shù)據(jù)，bclk是同步時鐘。

則：

a)中，異步data持續(xù)2T；FF1 sample到亞穩(wěn)態(tài)時，F(xiàn)F2在下一cycle 對亞穩(wěn)態(tài)的sample是0；但最終sample到了正確的data值。

b)中，異步data持續(xù)2T；FF1 sample到亞穩(wěn)態(tài)時，F(xiàn)F2在下一cycle 對亞穩(wěn)態(tài)的sample是1；但最終sample到了正確的data值。

c)中，異步data馬上結(jié)束，等價于只持續(xù)1T（相當(dāng)于沒sample到就錯過了）；FF1 sample到亞穩(wěn)態(tài)時，F(xiàn)F2在下一cycle 對亞穩(wěn)態(tài)的sample是1；運(yùn)氣好，最終sample到了正確的data值。

d)中，異步data馬上結(jié)束，等價于只持續(xù)1T；FF1 sample到亞穩(wěn)態(tài)時，F(xiàn)F2在下一cycle 對亞穩(wěn)態(tài)的sample是0；相當(dāng)于最終錯過了data值，沒sample到…

那咋辦，豈不是說明“打兩拍”的方法不行？？？

答案:

因為 “打兩拍” 的目的，是為了在單bit傳輸時，盡可能的防止亞穩(wěn)態(tài)的傳遞，至于這個sample的正確性，本來就不是重點(diǎn)。這種“sample的正確性如何保證”得根據(jù)信號的具體類型、目的、應(yīng)用場景，來進(jìn)行具體的討論。

Trigger Signals：一個脈沖信號，用來開機(jī)、啟動什么的。它沒什么數(shù)據(jù)信息量，早一個clk、晚一個clk都o(jì)k，反正能起作用就行。那上面這個問題就無所謂了。唯一要保證的是，原始異步脈沖信號至少保持2T?。ūＷC打兩拍后，能sample到有效信號）

Control Buses：因為有多bit數(shù)據(jù)需要進(jìn)行同步，關(guān)系比較復(fù)雜。那就不能用 “打兩拍” 的方法，得用 “握手機(jī)制“。

Data Buses：這種情況，非常在乎上面提到的正確性問題。所以就 更不應(yīng)該用 ”打兩拍“方法，得用 異步FIFO的好吧… 在異步FIFO中的指針使用格雷碼，可以降低指針在跳變時出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)風(fēng)險、冒險現(xiàn)象。也就說，格雷碼和異步FIFO是結(jié)合使用的… (￣▽￣)"

總結(jié)

當(dāng)你在乎跨時鐘域 “用打兩拍解決亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致后續(xù)sample可能未sample到正確結(jié)果” 的case，那就不該用 “打兩拍” 的方案，可以考慮異步FIFO和握手機(jī)制！而格雷碼，和異步FIFO是聯(lián)合使用的。

“打兩拍”的方法，若應(yīng)用于“從快速時鐘域同步到慢速時鐘域”，數(shù)據(jù)得多保持幾T，不然會漏采數(shù)據(jù)。

審核編輯 ：李倩