如何处理跨时钟域这些基础问题

导言

在很久之前便陆续谈过亚稳态，FIFO，复位的设计。本次亦安做一个简单的总结，从宏观上给大家展示跨时钟域的解决方案。

什么是亚稳态？

对大多数工程师来讲，亚稳态是非常难以追踪的，因为它具有不确定性，在相对规范的设计下，如果仍然发生这个问题，那么可能非常难以复现异常。简单来讲，当触发器不满足建立时间和保持时间要求时，就会导致亚稳态。亚稳态出现时，触发器既不是高逻辑也不是低逻辑，后续电路则可能读取为0或者1（不确定状态），导致电路逻辑做出不符合当前事物逻辑的事情。

对于数字设计人员来讲，只要信号从一个时钟域跨越到另一个时钟域，那么就可能发生亚稳态。我们称为“跨时钟域”即“Clock Domain Crossing”，或CDC。

所以今天主要简单了解如何处理CDC这些基础问题。

同步跨时钟域信号

对大多数初学者来讲，当我们遇到CDCs时，有经验的工程师会告诉我们“打两拍”，即让信号通过两个 flip-flops，每个flip-flop都由新时钟域的时钟驱动（如下图）。第一个触发器出现亚稳态的概率很高，但第二个触发器的输出亚稳态的概率就会低得多。当然更多的flip-flops会让亚稳态的概率进一步下降，但一般下降的概率差距不会太大，如何选择取决于设计者自己。但并非多数CDC问题都能用这种简单方法，这种设计适用于旧时钟域比新时钟域慢的多的情况。经典的可配置的代码如下。

// Language: Verilog-2001

`resetall
`timescale 1 ns / 1 ps
`default_nettype none

/*
 * Synchronizes an asyncronous signal to a given clock by using a pipeline of
 * two registers.
 */
module sync_signal #(
    parameter WIDTH=1, // width of the input and output signals
    parameter N=2 // depth of synchronizer
)(
    input wire clk,
    input wire [WIDTH-1:0] in,
    output wire [WIDTH-1:0] out
);

reg [WIDTH-1:0] sync_reg[N-1:0];

/*
 * The synchronized output is the last register in the pipeline.
 */
assign out = sync_reg[N-1];

integer k;

always @(posedge clk) begin
    sync_reg[0] <= in;
    for (k = 1; k < N; k = k + 1) begin
        sync_reg[k] <= sync_reg[k-1];
    end
end

endmodule

`resetall

异步复位同步释放

CDC中一个常见的例子就是异步复位，这个问题我在“FPGA复位信号设计讨论“一文中有详细的表述，这里简单讲解，对于初学者而言，不太建议用异步复位，尽管他们各有优劣，但至少对FPGA设计者而言，这个建议应该是有效的，即使是Xilinx官方也同样建议使用同步复位（UG949）。但有些状态下可能同步复位无效，比如在低功耗设计中，时钟可能在复位前就已经被“无效”，那么异步复位自然成为一个选择。异步复位关键点不在进入复位状态，而在于移除复位，因为移除状态可能会进入亚稳态，除了“FPGA复位信号设计讨论”一文，大家同样可以参阅我翻译的经典论文“同步复位与异步复位”。经典的代码如下所示，但请注意区别此处代码和“打两拍“的区别。

// Language: Verilog-2001

`resetall
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none

/*
 * Synchronizes an active-high asynchronous reset signal to a given clock by
 * using a pipeline of N registers.
 */
module sync_reset #
(
    // depth of synchronizer
    parameter N = 2
)
(
    input  wire clk,
    input  wire rst,
    output wire out
);

(* srl_style = "register" *)
reg [N-1:0] sync_reg = {N{1'b1}};

assign out = sync_reg[N-1];

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        sync_reg <= {N{1'b1}};
    end else begin
        sync_reg <= {sync_reg[N-2:0], 1'b0};
    end
end

endmodule

`resetall

很多人争论高电平复位有效好还是低电平复位有效好，一般情况下我常见低电平复位有效，但高电平复位有效也不是没有，一般认为在FPGA中区别不是太大，但在ASIC中，低电平似乎更加常见。

跨时钟握手

有时需要一种方法来处理CDC，例如从慢时钟到快时钟，从快时钟到慢时钟，这时需要：握手信号，在“AXI4协议逻辑规范以及BUG处理”一文写过握手的注意点。握手的详细技术点感兴趣的朋友可以网上找相关资料。

FIFO

FIFO网上的文章特别多，具体的设计细节有很多需要讨论的地方，但对于跨时钟域而言，FIFO几乎是最方便的数据传输方式。这里不展开讲，之前我写过关于FIFO的相关文章，不是特别详细，接下来会有详细的关于FIFO的计划，在此之前，大家可以看Clifford E. Cummings经典论文，他的论文真的很推荐。

http://www.sunburst-design.com/papers/CummingsSNUG2008Boston_CDC.pdf