跨時鐘域類型介紹 同步FIFO和異步FIFO的架構設計

在《時鐘與復位》一文中已經解釋了亞穩(wěn)態(tài)的含義以及亞穩(wěn)態(tài)存在的危害。在單時鐘系統(tǒng)中，亞穩(wěn)態(tài)出現的概率非常低，采用同步設計基本可以規(guī)避風險。但在實際應用中，一個系統(tǒng)往往包含多個時鐘，且許多時鐘之間沒有固定的相位關系，即所謂的異步時鐘域，這就給設計帶來很大的挑戰(zhàn)。

01跨時鐘域類型

跨時鐘域傳輸可分為以下幾種情況：

• 同頻零相位差時鐘
• 同頻恒定相位差時鐘
• 非同頻時鐘
  • 整數倍頻時鐘
  • 非整數倍頻時鐘

同頻同相時鐘可視為等效的時鐘，在不考慮時鐘抖動（Jitter）影響的情況下，兩個時鐘域之間的傳輸可視作同步的。而同頻恒定相位差的時鐘由于時鐘有效沿之間有一定的相位差，因此對建立/保持時間裕量有一定的影響。設計時需要確保組合邏輯的延時能滿足采樣處的建立/保持時間要求，一般可通過在發(fā)射沿或捕獲沿加入適當的偏移來完成時序的調整。

而對于非同頻的時鐘，二者可以是同步關系，也可以是異步關系，這里再次強調一下同步與異步的界定標準：有固定相位關系的稱為同步時鐘，沒有固定相位關系的稱為異步時鐘。

那么什么叫固定的相位關系？即兩個時鐘的有效沿之間的偏移量始終保持恒定，也即所謂的相位差固定。

非同頻時鐘之間的關系可以分為整數倍頻和非整數倍頻。整數倍頻的時鐘往往是同源時鐘，相位關系也往往是固定的。但是存在源時鐘域和目標時鐘域的快慢關系。假設源時鐘是20MHz，而目標時鐘域只有5MHz，那么就是快時鐘域到慢時鐘域的傳輸。

“慢采快”會導致數據丟失的問題，為了避免這個問題，要求源時鐘域的數據至少保持一個目標時鐘域的周期的穩(wěn)定狀態(tài)。對于單比特控制信號的“快→慢”傳輸，可以采用如圖所示的脈沖同步器來檢測快時鐘域的脈沖信號。

一旦data1有脈沖拉高，經過mux的反饋，第一級DFF的輸出就會反轉并鎖住，直到下一個data1脈沖的到來才會再次反轉。中間兩級DFF就是用來打兩拍消除亞穩(wěn)態(tài)的，最后一級DFF輸出的異或用來檢測同步過來的信號是否發(fā)生反轉，由于data1每次脈沖都會導致clk1時鐘域的輸出發(fā)生反轉，于是該脈沖信號就在clk2時鐘域被記錄下來并保持一個周期的穩(wěn)定狀態(tài)。

那么假如源時鐘比目標時鐘要慢呢？在“快采慢”的情況下，需要注意快時鐘域觸發(fā)器不要對慢時鐘域的輸出信號進行重復采樣，在慢時鐘域維持一個周期的信號在慢時鐘域可能維持好幾個周期，這顯然會導致邏輯功能的錯誤。因此需要確保同步過來的信號在快時鐘域也只維持一個周期，因此采樣如圖所示的邊沿（上升沿）同步電路，就能將慢時鐘域的脈沖同步到快時鐘域。

（此法只用于慢時鐘域的單周期脈沖信號的同步，若源信號存在維持幾個周期的高電平，在快時鐘域也只會存在一個周期的脈沖信號，此時用基本的電平同步電路就可以了）

非整數倍頻的時鐘的之間相位關系總是在變化，這讓時序分析變得很復雜，除了亞穩(wěn)態(tài)的問題，還要考慮相位差的變化是否會導致丟數據，即便能滿足時序，數據傳輸不連貫的問題也始終存在。

此時，已經標準化的技術，如FIFO和握手，解決了絕大多數情況下的跨時鐘域數據傳輸。

02FIFO

關于握手機制，筆者在《解剖AXI（一）—— 從握手開始》一文中已有說明，本文不再過多贅述。在實際設計中，使用握手機制來傳輸單比特信號產生的延遲要遠大于使用FIFO進行傳輸，因此本文重點介紹FIFO傳輸的機制，以及同步FIFO和異步FIFO的架構。

FIFO，即First In First Out，先進先出的數據緩存器?？深惐葹榕抨牐冗M隊伍的先服務，先寫入FIFO的數據先讀出。所以FIFO沒有外部地址線，只能靠回滾遞增的內部讀寫指針來指示下一個要讀/寫的地址。根據讀寫控制信號的時鐘關系，又可分為同步FIFO和異步FIFO。

2.1 同步FIFO

同步FIFO的寫時鐘和讀時鐘為同步時鐘，一般情況下為同一個時鐘。同步FIFO內的所有邏輯都是同步邏輯。一個最簡單的同步FIFO框圖如下所示。

產生FIFO空滿信號的方法有兩種：

一是在FIFO內部設置一個計數器來指示當前FIFO內部緩存了多少個數據，但這會引入新的寄存器造成額外的資源開銷；

二是通過拓寬讀寫指針的位數，然后根據讀寫指針的關系來判斷空滿。

當讀指針等于寫指針時，標明FIFO處于空狀態(tài)，如圖所示，假設FIFO深度為8，那么讀寫地址的位寬取3，讀寫指針在此基礎上拓寬一位：

當FIFO內有數據寫入時，寫指針增加，此時讀指針的低N-1位不等于寫指針的低N-1位（N為指針拓寬一位之后的位寬），如圖所示：

如果此時再讀出兩個數據，FIFO又將回到空狀態(tài)，此時讀指針與寫指針又相等：

假如此時，一口氣寫入8個數據，寫指針+8，變成4'b1010，FIFO處于滿狀態(tài)，此時讀寫指針的最高位不同，但低N-1位相同：

于是可以總結得到FIFO空滿信號的生成條件：

• fifo_empty_o:

assign fifo_empty_o = (wr_ptr == rd_ptr);

• fifo_full_o:

assign fifo_full_o = ((wr_ptr[$clog2(DEPTH)] != rd_ptr[$clog2(DEPTH)]) && (wr_addr == rd_addr));

2.2 異步FIFO

同步FIFO可用于在同步時鐘域傳輸多比特信號，但若要實現兩個異步時鐘域之間的數據傳輸，就要使用異步FIFO。

異步FIFO相較于同步FIFO最大的不同在于讀/寫時鐘域是異步的，也就是說讀寫控制信號是由不同的時鐘驅動的，這就導致讀指針需要同步到寫時鐘域，才能判斷FIFO是否滿；寫指針也需要同步到讀時鐘域，才能判斷FIFO是否空。

異步FIFO的框圖如下：

但是對于多比特信號的跨時鐘域同步，存在一個嚴重的問題。如果像同步FIFO那樣使用二進制的讀寫指針，指針每次加一都可能使好幾位發(fā)生翻轉，以三位指針為例，假設當前指針為3'b111下一次操作后指針加1變?yōu)?'b000.

我們已經知道，單比特信號打兩拍同步之后的結果可能恢復成0或1的其中一個穩(wěn)態(tài)，假如該單比特信號是從0→1，最終哪怕同步結果是0，也不影響整個電路的功能，只當是沒有發(fā)生這次操作，在后續(xù)的運行過程中再把正確信號同步過來也是ok的。

但是對于多比特信號而言，多位發(fā)生翻轉，其中的每一位都可能同步為不同的結果，也就是說3'b111→3'b000可能變成3'b111→3'b010或者3'b111→3'b110、3'b111→3'b001、3'b111→3'b101之類的任意值，這就明顯違背了指針的正常邏輯，破壞了電路的功能。

我們希求的效果是3'b111→3'b000，哪怕同步結果不是3'b000，也得是3’b111保持不變。因此要求指針遞增每次只變化一位。

剛好，格雷碼的編碼方式就是相鄰兩個數值只有一位不同。因此在異步FIFO設計中，跨時鐘域同步讀寫指針之前，要將二進制指針先轉換成格雷碼編碼的指針，再進行同步。

二進制和格雷碼的互相轉化邏輯，這里不再贅述，只展示Verilog代碼以供參考：

bin2gray:

module bin2gray
#(
    parameter WIDTH = 8
)
(
    input       [WIDTH-1:0] bin,
    output      [WIDTH-1:0] gray
);


    assign gray = bin ^ {1'b0,bin[WIDTH-1:1]};


endmodule

gray2bin:

module gray2bin
#(
    parameter WIDTH = 8
)
(
    input       [WIDTH-1:0] gray,
    output      [WIDTH-1:0] bin
);


    genvar i;
    generate
        for(i=0;i< WIDTH;i=i+1)begin
            assign bin[i] = ^gray[WIDTH-1:i];
        end
    endgenerate


endmodule

相應的，用格雷碼編碼的指針來判斷異步FIFO的空滿狀態(tài)：

• fifo_empty_o:

assign empty = (rd_ptr_gray == wr_ptr_gray_sync_r2);

• fifo_full_o:

assign full = ({~wr_ptr_gray[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1],wr_ptr_gray[ADDR_WIDTH-2:0]} == rd_ptr_gray_sync_r2);