异步时钟域处理的七种方法

文章目录

一、概要

二、技术方法

2.1. 单bit信号跨时钟域处理：

2.2. 多bit信号跨时钟域处理：

2.2.1 异步FIFO机制

2.2.2 硬件handshake机制

2.2.3 利用sync bit来锁存多bit数据

2.2.4 多bit同时锁存

2.2.5 格雷码机制

2.2.6 软件flow来避免异步问题

三、小结

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一、概要

        当一个信号signal在clk1 domain产生，并传递到clk2 domain中时，且clk1和clk2为不同时钟源产生的时钟，signal就完成了跨时钟域的迁移。对于这类的跨时钟问题，从设计上一定要进行跨时钟域处理，否则就可能会出现亚稳态问题。

二、技术方法

       本文整理了常用的跨时钟域处理的方法，下面就逐一进行介绍：

       首先要说明的是：标准的跨时钟域处理，要求signal在原时钟域是寄存器输出的，否则经过组合逻辑后，从timing角度来讲会变得更恶劣，不利于中后端收敛timing。

2.1. 单bit信号跨时钟域处理：

      对应单bit的同步，通常情况下可以直接打几拍即可，具体根据destination clk domain的时钟频率来看以及工艺节点来决定，打几拍后可以大大减少亚稳态发生的概率。

2.2. 多bit信号跨时钟域处理：

      针对多bit的情况，就不能像单bit那样简单的打打几拍了，更不能说把每个bit都打几拍，这样做不仅费面积，同时也不一定能达到预期的效果，因为同步过程的第一拍本来就是不确定输出0还是1的，所以虽然同时对多个bit分别打拍，但实际上有可能有的bit先同步成功，有的bit后同步出成功。那么对于多bit的处理方法，常用的有以下几种：

2.2.1 异步FIFO机制

      这种在大型IP中很常见，尤其对数据量较大的传输，可以利用FIFO来缓存一定量的数据，进而提高数据传输效率。

2.2.2 硬件handshake机制

       即一方发送请求数据，另一方收到请求后，对请求信号进行同步处理，然后回复ack和数据，请求方收到ack后做同步处理并将数据缓存到本地时钟域，见下图。

2.2.3 利用sync bit来锁存多bit数据

    这也是个常用的方法，比如返回数据的一方，提供当前数据以及数据valid信号，接收方先对valid进行同步，然后利用同步后的valid去采样数据，这样就保证了采样时刻，数据是稳定的。

2.2.4 多bit同时锁存

      像上面介绍的，不能简单的对每个bit同时打拍，但是可以这样，我们在新时钟域中将多bit信号进行锁存，并根据需求打几拍，然后判断最后两拍数据相同时，我们认为所有bit数据同步成功，这个时候可以直接输出。

2.2.5 格雷码机制

将多bit转格雷码，格雷码的特点是每次只有1个bit翻转，因此经过格雷码输出的多bit也就等价为单bit的情况，可以直接打几拍输出。

2.2.6 软件flow来避免异步问题

    最后一种方法，我们在设计中也会经常用到，具体来说，当我们需要更新某些配置时，通过软件先关闭模块使能或者时钟使能等方法，然后改写配置，等配置信息更新完成后，再打开模块进行工作。这种完全靠软件flow来保证异步的方式，可以节省硬件资源，缺点就是不够灵活，具体还要参考实际应用。

三、小结

        以上介绍了异步处理的7种常用的解决方法，每种方法各有优势，具体的选择可以根据实际需求进行平衡。另外，对于异步时钟域的跨时钟转换过程，中后端是设FALSE path的，认为设计保证了，因此这部分timing必须要硬件保证，否则实际工作过程中有可能会出现亚稳态。