如何利用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)跨時(shí)鐘域的同步策略？

基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大都推薦采用同步時(shí)序的設(shè)計(jì)，也就是單時(shí)鐘系統(tǒng)。但是實(shí)際的工程中，純粹單時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況很少，特別是設(shè)計(jì)模塊與外圍芯片的通信中，跨時(shí)鐘域的情況經(jīng)常不可避免。如果對(duì)跨時(shí)鐘域帶來的亞穩(wěn)態(tài)、采樣丟失、潛在邏輯錯(cuò)誤等等一系列問題處理不當(dāng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行。本文總結(jié)出了幾種同步策略來解決跨時(shí)鐘域問題。

2 異步設(shè)計(jì)中的亞穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器是FPGA設(shè)計(jì)中最常用的基本器件。觸發(fā)器工作過程中存在數(shù)據(jù)的建立（setup）和保持（hold）時(shí)間。對(duì)于使用上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器來說，建立時(shí)間就是在時(shí)鐘上升沿到來之前，觸發(fā)器數(shù)據(jù)端數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。而保持時(shí)間是時(shí)鐘上升沿到來之后，觸發(fā)器數(shù)據(jù)端數(shù)據(jù)還應(yīng)該繼續(xù)保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。我們把這段時(shí)間成為setup-hold時(shí)間（如圖1所示）。在這個(gè)時(shí)間參數(shù)內(nèi)，輸入信號(hào)在時(shí)鐘的上升沿是不允許發(fā)生變化的。如果輸入信號(hào)在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了變化，輸出結(jié)果將是不可知的，即亞穩(wěn)態(tài) （Metastability）。

一個(gè)信號(hào)在過渡到另一個(gè)時(shí)鐘域時(shí)，如果僅僅用一個(gè)觸發(fā)器將其鎖存，那么采樣的結(jié)果將可能是亞穩(wěn)態(tài)。這也就是信號(hào)在跨時(shí)鐘域時(shí)應(yīng)該注意的問題。如圖2所示。

信號(hào)dat經(jīng)過一個(gè)鎖存器的輸出數(shù)據(jù)為a_dat.用時(shí)鐘b_clk進(jìn)行采樣的時(shí)候，如果a_dat正好在b_clk的setup-hold時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，此時(shí)b_ dat就既不是邏輯“1”，也不是邏輯“0”，而是處于中間狀態(tài)。經(jīng)過一段時(shí)間之后，有可能回升到高電平，也有可能降低到低電平。輸出信號(hào)處于中間狀態(tài)到恢復(fù)為邏輯“1”或邏輯“0”的這段時(shí)間，我們稱之為亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間可以用參數(shù)MTBF（Mean Time Between Failures）來描述，MTBF即觸發(fā)器采樣失敗的時(shí)間間隔，表示為：

其中fclock表示系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，fdata代表異步輸入信號(hào)的頻率，tmet代表不會(huì)引起故障的最長(zhǎng)亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間，C1和C2分別為與器件特性相關(guān)的常數(shù)。如果MTBF很大，就認(rèn)為這個(gè)設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中是能夠正常運(yùn)行的，不會(huì)因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。當(dāng)觸發(fā)器處于亞穩(wěn)態(tài)，且處于亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間超過了一個(gè)時(shí)鐘周期，這種不確定的狀態(tài)還會(huì)影響到下一級(jí)的觸發(fā)器，最終導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)功能失常。

3 同步策略

在異步設(shè)計(jì)中，完全避免亞穩(wěn)態(tài)是不可能的。因此，設(shè)計(jì)的基本思路應(yīng)該是：首先盡可能減少出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的可能性，其次是盡可能減少出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)并給系統(tǒng)帶來危害的可能性。以下是根據(jù)實(shí)際工作總結(jié)出來的幾種同步策略。

3.1 雙鎖存器法

為了避免進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，應(yīng)當(dāng)使參數(shù)MTBF盡可能大。通常采用的方法是雙鎖存器法，即在一個(gè)信號(hào)進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘域之前，將該信號(hào)用兩個(gè)鎖存器連續(xù)鎖存兩次（如圖3所示）。理論研究表明這種設(shè)計(jì)可以將出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的幾率降低到一個(gè)很小的程度，但這種方法同時(shí)帶來了對(duì)輸入信號(hào)的一級(jí)延時(shí)，需要在設(shè)計(jì)時(shí)鐘的時(shí)候加以注意。

對(duì)于上面的雙鎖存器法，如果a_clk的頻率比b_clk的頻率高，將可能出現(xiàn)因?yàn)閐at變化太快，而使b_clk無法采樣的問題。即在信號(hào)從快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡的時(shí)候，如果信號(hào)變化太快，慢時(shí)鐘將可能無法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行正確的采樣，所以在使用雙鎖存器法的時(shí)候，應(yīng)該使原始信號(hào)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便另一個(gè)時(shí)鐘域的鎖存器可以正確地對(duì)其進(jìn)行采樣。

3.2 結(jié)繩法

由于雙鎖存器法在快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡中可能存在采樣失效的問題，我們引入了一種安全的跨時(shí)鐘域的方法：結(jié)繩法。結(jié)繩法適合任何時(shí)鐘域的過渡（clk1，clk2的頻率和相位關(guān)系可以任意選定），如圖4所示。

圖4中的_clk1表示該信號(hào)屬于clk1時(shí)鐘域，_clk2的信號(hào)表示該信號(hào)屬于clk2時(shí)鐘域。在兩次src_req_clk1之間被src_vld_clk1結(jié)繩（Pluse2Toggle）。將src_vld-clk1用雙鎖存器同步以后，該信號(hào)轉(zhuǎn)換為dst_req_clk2（Toggle2Pluse）。同理，用dst_vld_clk2將dat_req_clk2結(jié)繩，dst_vld_clk2表明在clk2時(shí)鐘域中，src_dat_clk1已經(jīng)可以進(jìn)行正確的采樣了。最后將dst_vld_clk2轉(zhuǎn)換為dst_ack_clk1（Synchronizer and Toggle2Pluse）。dst_ack_clk表明src_dat_clk1已經(jīng)被clk2正確采樣了，此后clk1時(shí)鐘域就可以安全地傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)了?？梢钥闯?，結(jié)繩法的關(guān)鍵是將信號(hào)結(jié)繩以后，使其保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便另一個(gè)時(shí)鐘可以正確采樣。圖5描述了結(jié)繩法的具體實(shí)現(xiàn)，主要包括3個(gè)基本單元：Pluse2Toggle、Synchronizer和Toggle2Pluse.

Pluse2Toggle模塊負(fù)責(zé)將兩個(gè)脈沖信號(hào)結(jié)繩，即將單脈沖信號(hào)延長(zhǎng)；Synchronizer模塊用雙鎖存器法將得到的信號(hào)過渡到另一個(gè)時(shí)鐘域；Toggle2Pluse模塊與Pluse2Toggle功能相對(duì)，即將延長(zhǎng)的脈沖信號(hào)還原為單脈沖，這里用到了異或門。整體的設(shè)計(jì)思想就是用Pluse2Toggle將信號(hào)延長(zhǎng)，用Synchronizer過渡，再用Toggle2Pluse還原，以保證另一個(gè)時(shí)鐘域可以正確采樣，而接收方用相反的流程送回響應(yīng)信號(hào)。

結(jié)繩法可以解決快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡的問題，且適用的范圍很廣。但是結(jié)繩法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)要求較高的場(chǎng)合應(yīng)該慎用。