同步電路

即電路中的所有受時(shí)鐘控制的單元，全部由一個(gè)統(tǒng)一的全局時(shí)鐘控制：

• 觸發(fā)器（Flip Flop）
• 寄存器（Register）

同步電路優(yōu)點(diǎn)：

• 在同步設(shè)計(jì)中，EDA工具可以保證電路系統(tǒng)的時(shí)序收斂，有效避免了電路設(shè)計(jì)中競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。
• 由于觸發(fā)器只有在時(shí)鐘邊緣才改變?nèi)≈?，很大限度地減少了整個(gè)電路受毛刺和噪聲影響的可能。

缺點(diǎn)：

電路里面所有的觸發(fā)器都由同一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，所以必須構(gòu)建時(shí)鐘樹、時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，因此時(shí)鐘到達(dá)哥哥觸發(fā)器的時(shí)間不一樣，則會(huì)引入時(shí)鐘偏斜和時(shí)鐘抖動(dòng)問題：

• 時(shí)鐘偏斜( Clock Skew )
• 時(shí)鐘抖動(dòng)（Clock Jitter )
• 時(shí)鐘樹綜合，需要加入大量的延遲單元，使得電路的面積和功耗大大增加

全局異步電路

全局異步設(shè)計(jì)跟同步設(shè)計(jì)最大的不同就是它的電路中的數(shù)據(jù)傳輸可以在任何時(shí)候發(fā)生，電路中沒有一個(gè)全局的或局部的控制時(shí)鐘。

異步電路優(yōu)點(diǎn)：

• 模塊化特性突出
• 對(duì)信號(hào)的延遲不敏感
• 沒有時(shí)鐘偏斜問題
• 有潛在的高性能特性
• 好的電磁兼容性
• 具有低功耗的特性

異步電路缺點(diǎn)：

• 設(shè)計(jì)復(fù)雜
• 缺少相應(yīng)的EDA工具的支持
• 在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用異步電路設(shè)計(jì)

同步異步時(shí)鐘，指時(shí)鐘源是不是同一個(gè)，假設(shè)是同一個(gè)PLL出來的，就能看成是同步時(shí)鐘，不同PLL下即使是同頻也是異步時(shí)鐘

在一個(gè)性想的全局時(shí)鐘控制下，只要電路的各個(gè)功能壞節(jié)都買現(xiàn)了時(shí)序收斂，整個(gè)電路就可以可靠工作了。由于 EDA 工具的廣泛支持，采用同步電路設(shè)計(jì)的方法是目前ASIC 和 SoC 設(shè)計(jì)的基本要求。但是常大規(guī)模 ASIC 和 SoC 芯片中都采用了全局異步、局部同步的方法。因此，在設(shè)計(jì)中必須要注意 異步信號(hào)與同步電路的交互問題 。

在不同時(shí)鐘域間，如何安全傳遞信號(hào)

跨時(shí)鐘域電路主要分為以下幾種：

亞穩(wěn)態(tài)相關(guān)概念和原理

• 亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。
• 亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無法預(yù)測該單元的輸出電平，也無法預(yù)測何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。
• 在這個(gè)期間，觸發(fā)器輸出一些中間級(jí)電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無用的輸出電平可以沿信號(hào)通道上的各個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)式傳播下去。
• 亞穩(wěn)態(tài)不能從根本上消除,但可以通過采取一定的措施使其對(duì)電路造成的影響降低。

亞穩(wěn)態(tài)影響衡量指標(biāo)MTBF（Mean Time Between Failure），MTBF越大，亞穩(wěn)態(tài)影響越?。?/p>

雙鎖存器電平同步器

雖然說的是鎖存器，但實(shí)際上是兩個(gè)觸發(fā)器：

• 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，那么用b_clk進(jìn)行采樣的結(jié)果將可能是亞穩(wěn)態(tài)。這也是信號(hào)在跨時(shí)鐘域時(shí)應(yīng)該注意的問題。

為了避免上節(jié)所述的亞穩(wěn)態(tài)問題，就應(yīng)當(dāng)使參數(shù) MTBF 盡可能的大，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，最后得到的采樣結(jié)果就可以消除亞穩(wěn)態(tài)問題。

雙鎖存器法，優(yōu)點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)，面積消耗很小。

缺點(diǎn)：

• 增加了兩級(jí)觸發(fā)器延時(shí)；
• 高性能計(jì)算中，兩個(gè)時(shí)鐘周期消耗對(duì)系統(tǒng)性能有消極的影響。
• 當(dāng)快時(shí)鐘域轉(zhuǎn)到慢時(shí)鐘域時(shí)，易造成慢時(shí)鐘采樣丟失（還未來得及采樣，數(shù)據(jù)就變化了)。

使用條件：

• 常用于慢時(shí)鐘域轉(zhuǎn)到快時(shí)鐘域
• {(Clk_slow的周期)} > {(Clk_fast的周期) + (路徑延時(shí))} ，確保信號(hào)可以被Clk_fast采樣到(假設(shè)Clk_fast和Clk_slow起始時(shí)刻相同求得)
• {(data數(shù)據(jù)變化間隔)}>{(Clk_slow的周期)+2*(CIk_fast的周期) +(路徑延時(shí))}，確保所有的數(shù)據(jù)變化均能采集到。

結(jié)論：

• 對(duì)于典型的0.25gm 工藝 ASIC 庫中的一個(gè)觸發(fā)器，則 MTBF=2.01(day ) ,即觸發(fā)器每兩天便可能出現(xiàn)一次亞穩(wěn)態(tài)。如果將采樣時(shí)間和異步事件觸發(fā)頻率都提高，亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)還要頻繁。
• 對(duì)于同樣的參數(shù)，雙鎖存器法可將MTBF提升為9.57* 年，這個(gè)數(shù)值足夠保證電子系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。
• 兩級(jí)觸發(fā)器已經(jīng)將MTBF變得足夠大
• 三級(jí)或者更多級(jí)雖然能將亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)概率 降得更低 ，但是影響電路效率

增加寄存器進(jìn)行同步的方法,只是不斷降低亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)概率

單bit信號(hào)跨時(shí)鐘域如何傳輸

慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘的信號(hào)傳輸

采用邊沿檢測同步器電路。這種方法通常應(yīng)用在慢速向快速時(shí)鐘傳遞過程中，可以檢測輸入信號(hào)的上升沿,也可以檢測它的下降沿。輸出的的與門間相差一個(gè)快時(shí)鐘的延遲:

其時(shí)序圖為:

適用條件:

• 輸入數(shù)據(jù)的寬度必須比—個(gè)接受時(shí)鐘周期加上一個(gè)同步觸發(fā)器的hold時(shí)間要長，最安全的就是兩個(gè)同步周期寬度。
• 保證: 慢時(shí)鐘域的脈沖足夠保持到被快時(shí)鐘的同步器拿到

快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的信號(hào)傳輸

對(duì)于快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域，通常采用脈沖同步器進(jìn)行同步。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)中，最左邊是快時(shí)鐘域下的一個(gè)翻轉(zhuǎn)電路。中間是慢時(shí)鐘域的兩級(jí)同步器，最后是慢時(shí)鐘域一級(jí)觸發(fā)器+一個(gè)邏輯門。

基本功能是從快時(shí)鐘域取出一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖，然后在慢時(shí)鐘域中建立另一個(gè)單時(shí)鐘寬度的脈沖。對(duì)電路結(jié)構(gòu)的功能分析:

限制如下:

• 輸入脈沖之間的最小間隔必須等于兩個(gè)同步器時(shí)鐘周期。
• 如果輸入脈沖相互過近，則新時(shí)鐘域中的輸出脈沖也緊密相鄰，結(jié)果是輸出脈沖寬度比一個(gè)時(shí)鐘周期寬。
• 當(dāng)輸入脈沖時(shí)鐘周期大于兩個(gè)同步器時(shí)鐘周期時(shí)，這個(gè)問題更加嚴(yán)重。
• 這種情況下，如果輸入脈沖相鄰太近，則同步器就不能檢測到每個(gè)脈沖。

對(duì)單bit同步器總結(jié):

三種同步器總結(jié)

• 電平同步器，輸入信號(hào)必須保持兩個(gè)接受時(shí)鐘周期寬度，每一次同步之后，輸入信號(hào)必須恢復(fù)到無效狀態(tài)。
• 邊沿檢測同步器，適用于低頻時(shí)鐘域向高頻時(shí)鐘域傳輸，輸入信號(hào)必須保持兩個(gè)接受時(shí)鐘周期寬度。
• 脈沖檢測同步器,適用于高頻時(shí)鐘域向低頻時(shí)鐘域傳輸，輸入的脈沖時(shí)間的距離必須保持兩個(gè)接收時(shí)鐘周 期以上。

采用結(jié)繩法 進(jìn)行單bit信號(hào)傳輸

• 信號(hào)從快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域過渡時(shí) ，慢時(shí)鐘將可能無法對(duì)變化太快的信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確采樣；
• 上述同步器法對(duì)兩個(gè)時(shí)鐘之間的關(guān)系要求很嚴(yán)格，而“結(jié)繩法”適合任何時(shí)鐘域的過渡。

“結(jié)繩法1”

原理:

• 將快時(shí)鐘信號(hào)的脈沖周期延長，等到慢時(shí)鐘同步采樣后再“解繩”，還原為原來的脈沖周期寬度。
• 利用數(shù)據(jù)的邊沿作時(shí)鐘（圖中上升沿）。（可以將脈沖無限延長，直到可以采集到數(shù)據(jù)，然后復(fù)位，要考慮產(chǎn)生數(shù)據(jù)的頻率）。

• 這種結(jié)繩法的原理是，數(shù)據(jù)作為Din_clkA ，即當(dāng)數(shù)據(jù)有上升沿(0->1)時(shí)，寄存器1的輸出將會(huì)穩(wěn)定在高電平，此時(shí)等待CIkB采樣；當(dāng)CIkB完成采樣后，寄存器4會(huì)輸出高電平，若此時(shí)Din_clkA為低電平，那么即可完成復(fù)位，開始下一次采樣等待。
• 這里需要注意的是當(dāng)數(shù)據(jù)來臨(上升沿)時(shí),ClkB域需要等待3個(gè)ClkB才會(huì)在寄存器4輸出并完成輸入端的復(fù)位，所以Din_CIkA如果變化較快，即持續(xù)時(shí)間短于3個(gè)CIkB，也就是Din_ClkA頻率大于CIkB的1/3，那么這時(shí)Din_ClkA的變化將無法被采樣到，因?yàn)镃IkB域需要3個(gè)CIkB才能完成采樣，并且此時(shí)Din_CIkA必須是低電平才能復(fù)位，采用異步復(fù)位。
• 在慢時(shí)鐘采樣快時(shí)鐘的時(shí)候，結(jié)繩法適合采樣數(shù)據(jù)較少(即脈沖間隔較大的控制信號(hào)。即脈沖間隔Ta>3Tb；即等待3個(gè)clkB時(shí)鐘后，完成復(fù)位，才允許下一個(gè)輸入脈沖。

結(jié)繩法2:

• 利用數(shù)據(jù)作為異步復(fù)位,置位信號(hào):

結(jié)繩法3:

• 利用握手協(xié)議:

電路功能為:

結(jié)繩法總結(jié)

• 結(jié)繩就是將單脈沖延長，以方便采集到數(shù)據(jù)。

結(jié)繩的方法歸結(jié)為2類:

• 利用脈沖的邊沿做時(shí)鐘；
• 利用脈沖的電平(部分場合要求最小脈沖寬度)做選擇器或者異步復(fù)位，置位。
• 另外的關(guān)鍵點(diǎn)就是什么時(shí)候結(jié)繩結(jié)束（采集到了數(shù)據(jù)就要讓對(duì)方回到初始狀態(tài))

這里的操作也有2種方法:

• 利用采集到的脈沖做異步復(fù)位，置位。
• 利用采集到的脈沖再次結(jié)繩采集做握手響應(yīng)信號(hào)。

總結(jié):

• 結(jié)繩法可以解決快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡的問題，且其適用的范圍很廣。
• 結(jié)繩法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，特別是其效率不高，在對(duì)設(shè)計(jì)性能要求較高的場合應(yīng)該慎用。

傳輸兩個(gè)同時(shí)需要的信號(hào)(b_load 和b_en)

多個(gè)控制信號(hào)跨時(shí)鐘域僅僅通過簡單的同步器同步有可能是不安全的

當(dāng)兩個(gè)信號(hào)中出現(xiàn)一點(diǎn)skew時(shí),跨時(shí)鐘域不一定能夠正確在同一個(gè)時(shí)刻被采樣到:

b_load和b_en同步至a_clk時(shí)鐘域，如果這兩個(gè)信號(hào)有一個(gè)小的ske導(dǎo)致在a_clk時(shí)鐘域中兩個(gè)信號(hào)并不是在同一時(shí)刻起作用，與在b_clk中的邏輯關(guān)系不同。

解決方法(合并信號(hào))

將b_load和b_en信號(hào)在b_clk時(shí)鐘域中合并成一個(gè)信號(hào)b_lden，然后同步至a_clk中。

對(duì)不能合并的情況

如果遇到不能合并的情況，如譯碼信號(hào)。如果Bdec[0]、bdec[1]間存在skew將導(dǎo)致同步至a_clk中后譯碼錯(cuò)誤，出現(xiàn)誤碼。

在這種情況下，建議加入另一個(gè)控制信號(hào)，確保bdec[0]、bec[1]穩(wěn)定時(shí)采。例如在bdec[0]、bec[1]穩(wěn)定輸出后一到兩個(gè)周期b_clk域輸出一個(gè)en信號(hào)，通知a_clk域此時(shí)可以采bdec[O]、bec[1]信號(hào)。這樣可確保正確采樣。

小結(jié)

采樣中“快到慢”與“慢到快”在考慮問題時(shí)有什么區(qū)別？

慢到快:

• 只需要考慮亞穩(wěn)態(tài)問題

快到慢:

• 亞穩(wěn)態(tài)問題
• 考慮慢時(shí)鐘的采樣速率問題。因?yàn)楦鶕?jù)采樣定理，采樣頻率低于信號(hào)最高頻率2倍的時(shí)候，是無法完整采樣的。