處理跨時鐘域（CDC）信號同步的最常見方法

跨時鐘域( Clock Domain Crossing，CDC )通俗地講，就是 模塊之間數(shù)據(jù)交互時用的不是同一個時鐘進行驅(qū)動 ，如下圖所示：左邊的模塊FA由C1驅(qū)動，屬于C1時鐘域；右邊的模塊FB由C2驅(qū)動，屬于C2時鐘域。

跨時鐘域信號處理問題，首先要考慮的就是亞穩(wěn)態(tài)問題。

為了使觸發(fā)器正常工作，輸入信號和時鐘必須滿足觸發(fā)器的建立和保持時間要求。在上面的圖2中，信號A與目標時鐘域C2是異步的，因為C1和C2屬于不同時鐘域。一旦遇到異步信號進入時鐘域，就不太可能滿足建立和保持時序約束，因此觸發(fā)器可能以進入亞穩(wěn)態(tài)。在下圖中，F(xiàn)A的輸出信號A變化非常接近C2的時鐘邊緣，因此違反了FB的建立時間要求， 它可能導(dǎo)致目標觸發(fā)器FB違反setup或hold時間。輸出信號B可能會振蕩不確定時長。因此輸出是不穩(wěn)定的，也可能會在C2的下一個時鐘邊緣到達之前穩(wěn)定到某個值，這種現(xiàn)象被稱為亞穩(wěn)態(tài)。

如果輸入信號A變化非常接近時鐘C2的上升沿，那么目標觸發(fā)器的輸出是亞穩(wěn)態(tài)的。因此，可能最終穩(wěn)定到信號B1和B2所描述的1或0。

處理跨時鐘域**（CDC）信號同步**的最常見方法之一是使用同步器電路。同步器電路的目的是通過最小化亞穩(wěn)態(tài)的可能性和增加MTBF來保護下游邏輯。其中一個基本的同步器電路是 兩級觸發(fā)器同步器 （也稱為2-FF同步器）。

2-** FF同步器處理跨時鐘域信號同步**

兩級觸發(fā)器同步器是一種電路，其中兩個觸發(fā)器在目標時鐘域中背靠背連接。如果第一個觸發(fā)器由于建立/保持沖突而進入亞穩(wěn)態(tài)，則第二個觸發(fā)器會提供足夠的時間讓第一個觸發(fā)器脫離亞穩(wěn)態(tài)。從理論上講，當(dāng)?shù)诙€FF對值進行采樣時，第一個FF可能仍處于亞穩(wěn)態(tài)，因此可以對不正確的值進行采樣，使用超過2級FF作為同步器（3或4級FF），可以增加MTBF。

2-FF同步器電路非常適合單比特控制信號的同步 ，其中輸入切換速率小于目標時鐘頻率，換句話說，如果目標時鐘頻率超過源時鐘頻率的1.5倍，則不會丟失數(shù)據(jù) 。但是，如果源和目標時鐘頻率幾乎相同或目標時鐘頻率較慢，則源必須保持其值穩(wěn)定，以便目標捕獲它，然后再更改為下一個值。這可以通過 握手時鐘域交叉 （CDC）技術(shù)來處理。

握手機制處理跨時鐘域信號同步

在握手技術(shù)中，源時鐘域?qū)?*“請求”信號**發(fā)送到使用 2-FF同步器的目標域。一旦目標域收到請求，它就會向源域發(fā)送“ack”信號，該源域使用 2-FF 同步器進行同步。ack 信號向源時鐘域指示目標已收到該值，源時鐘域可以更新其值。握手機制有許多實現(xiàn)版本，但原理保持不變: 同步request和ack信號 。request信號將在總線上指示一個新值即將發(fā)送，ack信號將指示可以更新數(shù)據(jù)總線。

上述機制在接口的帶寬使用方面確實有一個缺點。對于握手機制，數(shù)據(jù)總線在接收ack信號時無法更新，存在瓶頸，可以使用雙時鐘異步FIFO來解決這個問題。正確設(shè)計的FIFO可以增加整個接口的帶寬，同時仍然保持跨時鐘域的可靠通信。

異步FIFO可以被視為數(shù)據(jù)容器，其中發(fā)送方以源時鐘速率將數(shù)據(jù)寫入，接收器以目標時鐘速率彈出數(shù)據(jù)。FIFO的深度應(yīng)該足夠，以便它不能溢出或下溢數(shù)據(jù)。

異步FIFO處理跨時鐘域信號同步

時鐘異步FIFO需要用到雙端口SRAM，一個控制寫入指針（數(shù)據(jù)應(yīng)在SRAM中寫入的地址）的源代碼控制塊，一個生成讀取指針（應(yīng)在SRAM中讀取數(shù)據(jù)的地址）的目標控制塊和二進制到格雷碼編碼器塊以及2-FF同步器電路。指針由各自的控制塊作為循環(huán)緩沖區(qū)進行管理。但是，要知道何時寫入（FIFO 未滿）和何時讀取（FIFO 不為空），源時鐘、目標時鐘控制塊需要分別具有讀取和寫入指針信號。將指針傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域并非易事。由于指針是多位信號，因此直接使用2-FF同步器不是一個好的選擇。因此，兩個指針都通過二進制到格雷碼編碼塊傳遞。這確保了在傳輸值時，只有矢量的一個位從一個時鐘更新到另一個時鐘，從而消除了在時鐘邊沿上同步多位總線的問題。