FPGA跨时钟域处理方法

Posted 2020-12-25 lionsde

文章主要是基于学习后的总结。

1. 时钟域

假如设计中所有的触发器都使用一个全局网络，比如FPGA的主时钟输入，那么我们说这个设计只有一个时钟域。假如设计有两个输入时钟，如图1所示，一个时钟给接口1使用，另一给接口2使用，那么我们说这个设计中有两个时钟域。

2. 亚稳态

触发器的建立时间和保持时间在时钟上升沿左右定义了一个时间窗口，如果触发器的数据输入端口上数据在这个时间窗口内发生变化（或者数据更新），那么就会产生时序违规。存在这个时序违规是因为建立时间要求和保持时间要求被违反了，此时触发器内部的一个节点（或者要输出到外部的节点）可能会在一个电压范围内浮动，无法稳定在逻辑0或者逻辑1状态。换句话说，如果数据在上述窗口中被采集，触发器中的晶体管不能可靠地设置为逻辑0或者逻辑1对应的电平上。所以此时的晶体管并未处于饱和区对应的高或者低电平，而是在稳定到一个确定电平之前，徘徊在一个中间电平状态（这个中间电平或许是一个正确值，也许不是）。如图2所示，这就是所谓的亚稳态。

一般解决信号亚稳态有三种方法：

1. 相位控制
   相位控制技术可以在一个时钟频率是另外一个时钟的数倍，并且其中一个时钟可以由FPGA 内部PLL 或者DLL 控制时使用。
2. 多级寄存器
   一般针对单bit控制信号跨越两个异步时钟域传输，可以采用多级寄存器，俗称多打拍。同步电路中的第一拍后也许会产生亚稳态，但是信号有机会在其被第二级寄存以及被其它逻辑看到之前稳定下来。常用的就是对单bit信号打两拍，这也是最简单、最常见的处理方式。
3. 异步FIFO缓存
   一般用于跨时钟域传输数据，写端和读端分别对应两个时钟域，由空/满信号控制着读写过程，实现数据的跨域传输。

每种方法应对的情况不同，下面着重介绍最常用的单bit信号消除亚稳态的方法：多级触发器法。

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3. 多级寄存器处理

在全同步设计中，如果信号来自同一时钟域，各模块的输入不需要使用寄存器来寄存。只要满足建立时间和保持时间的约束，可以保证在时钟上升沿到来时，输入信号已经稳定，可以采样得到正确的值。但是如果要采用输入信号的边沿来触发某一过程，则需要寄存来检测上升沿，这是另外一个范畴的问题。

一般而言单bit信号就是我们所用到的脉冲信号或者电平信号。假设A和B是两个时钟域，各自的频率是clk_a和clk_b，clk_a的频率高于clk_b（同频相位差稳定的，不在讨论范围内），那么单bit信号传输分为两种情况。

3.1 信号从B到A（慢到快）

在时钟域B下的脉冲信号pulse_b在时钟域A看来，是一个很宽的“电平”信号会，保持多个clk_a的时钟周期，所以一定能被clk_a采到。经验设计采集过程必须寄存两拍。第一拍将输入信号同步化，同步化后的输出可能带来建立/保持时间的冲突，产生亚稳态。需要再寄存一拍，减少亚稳态带来的影响。一般来说两级是最基本要求，如果是高频率设计，则需要增加寄存级数来大幅降低系统的不稳定性。也就是说采用多级触发器来采样来自异步时钟域的信号，级数越多，同步过来的信号越稳定。

特别需要强调的是，此时pulse_b必须是clk_b下的寄存器信号，如果pulse_b是clk_b下的组合逻辑信号，一定要先在clk_b先用D触发器（DFF）抓一拍，再使用两级DFF向clk_a传递。这是因为clk_b下的组合逻辑信号会有毛刺，在clk_b下使用时会由setup/hold时间保证毛刺不会被clk_b采到，但由于异步相位不确定，组合逻辑的毛刺却极有可能被clk_a采到。一般代码设计如下：

always @ (posedge clk_a or negedge rst_n)
    begin
        if (rst_n == 1‘b0) 
            begin
               pules_a_r1 <= 1‘b0;
               pules_a_r2 <= 1‘b0;
               pules_a_r3 <= 1‘b0;
            end
        else 
            begin                                   //打3拍
               pules_a_r1 <= pulse_b;
               pules_a_r2 <= pules_a_r1;
               pules_a_r3 <= pules_a_r2;
            end
    end

assign pulse_a_pos  = pules_a_r2 & (~pules_a_r3);   //上升沿检测
assign pulse_a_neg  = pules_a_r3 & (~pules_a_r2);   //下降沿检测
assign pulse_a      = pules_a_r2;

实际上，具体打几拍背后是有时序收敛的理论作支撑的，对于一般的设计而言，打两三拍就已经足够了。

3.2 信号从A到B（快到慢）

如果单bit信号从时钟域A到时钟域B，那么存在两种不同的情况，传输脉冲信号pulse_a或传输电平信号level_a。实际上，在一般情况下只有电平信号level_a的宽度能被clk_b采集到才可以保证系统正常工作。那么对于脉冲信号pulse_a采取怎样的处理方法呢？可以用一个展宽信号来替代pulse_a实现垮时钟域的握手。

主要原理就是先把脉冲信号在clk_a下展宽，变成电平信号signal_a，再向clk_b传递，当确认clk_b已经“看见”信号同步过去之后，再清掉signal_a。代码通用框架如下：

module Sync_Pulse (
                  clk_a,        
                  clk_b,   
                  rst_n,            
                  pulse_a_in,   
                 
                  pulse_b_out,  
                  b_out 
                  );
/****************************************************/

    input               clk_a;
    input               clk_b;
    input               rst_n;
    input               pulse_a;
    
    output              pulse_b_out;
    output              b_out;      
    
/****************************************************/  

    reg                 signal_a;
    reg                 signal_b;
    reg                 signal_b_r1;
    reg                 signal_b_r2;
    reg                 signal_b_a1;
    reg                 signal_b_a2;
    
/****************************************************/
    //在时钟域clk_a下，生成展宽信号signal_a
    always @ (posedge clk_a or negedge rst_n)
        begin
            if (rst_n == 1‘b0)
                signal_a <= 1‘b0;
            else if (pulse_a_in)            //检测到到输入信号pulse_a_in被拉高，则拉高signal_a
                signal_a <= 1‘b1;
            else if (signal_b_a2)           //检测到signal_b1_a2被拉高，则拉低signal_a
                signal_a <= 1‘b0;
            else;
        end
    
    //在时钟域clk_b下，采集signal_a，生成signal_b
    always @ (posedge clk_b or negedge rst_n)
        begin
            if (rst_n == 1‘b0)
                signal_b <= 1‘b0;
            else
                signal_b <= signal_a;
        end
    //多级触发器处理
    always @ (posedge clk_b or negedge rst_n)
        begin
            if (rst_n == 1‘b0) 
                begin
                    signal_b_r1 <= 1‘b0;
                    signal_b_r2 <= 1‘b0;
                end
            else 
                begin
                    signal_b_r1 <= signal_b;        //对signal_b打两拍
                    signal_b_r2 <= signal_b_r1;
                end
        end
    //在时钟域clk_a下，采集signal_b_r1，用于反馈来拉低展宽信号signal_a
    always @ (posedge clk_a or negedge rst_n)
        begin
            if (rst_n == 1‘b0) 
                begin
                    signal_b_a1 <= 1‘b0;
                    signal_b_a2 <= 1‘b0;
                end
            else 
                begin
                    signal_b_a1 <= signal_b_r1;     //对signal_b_r1打两拍，因为同样涉及到跨时钟域   
                    signal_b_a2 <= signal_b_a1;
                end
        end

    assign  pulse_b_out =   signal_b_r1 & (~signal_b_r2);
    assign  b_out       =   signal_b_r1;

endmodule

这样一来，实际上clk_a下的脉冲信号“作用”到了clk_b时钟域下，它对于clk_a与clk_b的时钟频率关系没有任何限制，快到慢，慢到快就都没问题了。

总而言之，在设计中可以简单的牢记以下五条原则：
1. 再全局时钟的跳变沿最可靠。
2. 来自异步时钟域的输入需要寄存一次以同步化，再寄存一次以减少亚稳态带来的影响。
3. 不需要用到跳变沿的来自同一时钟域的输入，没有必要对信号进行寄存。
4. 需要用到跳变沿的来自同一时钟域的输入，寄存一次即可。
5. 需要用到跳变沿的来自不同时钟域的输入，需要用到3个触发器，前两个用以同步，第3个触发器的输出和第2个的输出经过逻辑门来判断跳变沿。

3.3 设计分区同步器模块

在顶层为设计分区是一个好的设计实践行为，这样任何功能模块外面都包含一个独立的同步器模块。这样有利于在划分模块的基础上实现所谓的理想时钟域情况（即整个设计模块只有一个时钟），如下图所示：

对设计进行分区有很多理由。首先，对每个独立的功能模块进行时序分析变得简易，因为模块都是完全的同步设计。其次，整个同步模块中的时序例外也很容易得到定义。再次，底层模块的同步器加时序例外在代入到设计顶层时，大大降低了由于人为失误造成的疏漏。所以，同步寄存器应该在功能模块外单独分区。