如何處理跨時(shí)鐘域信號(hào)？

最近是IC相關(guān)專業(yè)學(xué)生找工作的高峰期，大家可以在文章末尾或者知識(shí)星球留言討論筆試或者面試題哦?？?a href="http://srfitnesspt.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘域的處理在面試中常常被問(wèn)到，今天IC君就來(lái)聊一聊這個(gè)話題。

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跨時(shí)鐘域是如何產(chǎn)生的呢？現(xiàn)在的芯片（比如SOC，片上系統(tǒng)）集成度和復(fù)雜度越來(lái)越高，通常一顆芯片上會(huì)有許多不同的信號(hào)工作在不同的時(shí)鐘頻率下。比如SOC芯片中的CPU通常會(huì)工作在一個(gè)頻率上，總線信號(hào)（比如DRAM BUS）會(huì)工作在另一個(gè)時(shí)鐘頻率下，而普通的信號(hào)又會(huì)工作在另外的時(shí)鐘頻率下。這3個(gè)不同時(shí)鐘頻率下工作的信號(hào)往往需要相互溝通和傳遞信號(hào)。

不同時(shí)鐘域下的信號(hào)傳遞就涉及到跨時(shí)鐘域信號(hào)處理，因?yàn)橄嗷ブg的頻率、相位不一樣，如果不做處理或者處理不當(dāng)，如下圖所示的時(shí)鐘域CLK_A的數(shù)據(jù)信號(hào)A可能無(wú)法滿足時(shí)鐘域CLK_B的setup/hold時(shí)間，可能導(dǎo)致：

1.數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法采到預(yù)期中的信號(hào)；

2.亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。

從而導(dǎo)致某個(gè)電路模塊或者整顆IC無(wú)法工作。

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那么，常見(jiàn)的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理方法都有哪些呢？有如下的三種：

兩級(jí)DFF同步器

握手協(xié)議

異步FIFO

最簡(jiǎn)單的單比特信號(hào)處理通常采用兩級(jí)DFF串聯(lián)進(jìn)行同步，如下圖所示：

從時(shí)鐘域A(CLKA)傳過(guò)來(lái)的信號(hào)a_in, 直接用時(shí)鐘域B CLKB采用很容易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，用兩級(jí)DFF 敲過(guò)后再使用就可以把亞穩(wěn)態(tài)概率降到一個(gè)合理的值。

很多人可能會(huì)問(wèn)，為什么是兩級(jí)DFF呢？一級(jí)或者三級(jí)DFF行不行呢？這里有一個(gè)平均失效間隔時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)的考慮。MTBF時(shí)間越長(zhǎng)，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率就越小，但是也不能完全避免亞穩(wěn)態(tài)。注意采樣時(shí)鐘頻率越高，MTBF可能會(huì)迅速減小。

有文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)：對(duì)于一個(gè)采樣頻率為200Mhz的系統(tǒng)，如果不做同步MTBF是2.5us，一級(jí)DFF同步的MTBF大概是23年，兩級(jí)DFF同步的大約MTBF大概是640年，MTBF越長(zhǎng)出錯(cuò)的概率越小。所以一級(jí)看上去不太穩(wěn)，二級(jí)差不多夠用了，至于三級(jí)可能會(huì)影響到系統(tǒng)的性能，而且增加面積，所以看上去沒(méi)什么必要。

兩級(jí)DFF同步器聽(tīng)起來(lái)夠簡(jiǎn)單的吧？這個(gè)方法雖然很簡(jiǎn)單，但是很多人用起來(lái)還是常常會(huì)犯錯(cuò)。

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錯(cuò)誤1 ：時(shí)鐘域A的組合邏輯信號(hào)直接敲兩級(jí)DFF同步到時(shí)鐘域B

如下圖（1）所示雖然時(shí)鐘域A的邏輯信號(hào)c0 傳輸?shù)綍r(shí)鐘域B的時(shí)候，也用了兩級(jí)DFF 同步器，但我們知道組合邏輯電路各個(gè)輸入信號(hào)的不一致性以及組合邏輯內(nèi)部路徑的延時(shí)時(shí)間不一樣，運(yùn)算后的信號(hào)存在毛刺如圖(2),而我們又無(wú)法預(yù)先知道CLKB 的上升沿何時(shí)會(huì)到來(lái)，CLKB 采樣到的信號(hào)就無(wú)法預(yù)知，這顯然不是我們想要的結(jié)果。

因此，要想CLKB 能采到穩(wěn)定的信號(hào)，時(shí)鐘域A的信號(hào)必須是經(jīng)過(guò)CLKA 敲過(guò)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)是穩(wěn)定的信號(hào)，如圖（3）所示:

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錯(cuò)誤2 ：Clock-gating enable 信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)異步處理

在下圖中a_in 信號(hào)經(jīng)過(guò)CLKA的DFF敲過(guò)，再送到兩級(jí)DFF 同步器處理，完全沒(méi)毛病。但是F2的使能信號(hào)EN是從時(shí)鐘域A來(lái)的，當(dāng)EN信號(hào)變化的時(shí)候，由于時(shí)鐘域不一樣，無(wú)法保證使能之后的CLKB信號(hào)采樣數(shù)據(jù)時(shí)滿足setup/hold time 要求，這時(shí)F2輸出信號(hào)也就變得無(wú)法預(yù)測(cè)了。

兩級(jí)同步器處理單比特信號(hào)雖然比較簡(jiǎn)單，但還是要注意它的使用方法，不要犯上面的錯(cuò)誤哦。