多时钟域设计——数据信号传输

Posted 2021-03-01 lizhiqing

主要内容：

• 使用握手信号进行跨时钟域的数据信号传输
• 使用FIFO进行跨时钟域的数据信号传输
• 跨时钟域的数据信号传输总结

同步器为什么不适合用于跨时钟域数据传输过程

1. 一般情况下数据信号的都是多位的，以数据总线的形式传输。
2. 同步器只能降低亚稳态传输的概率，不能确保正确的同步信号。

因此如果简单的使用多组同步器进行数据信号跨时钟域传输，可能导致数据信号中多位数据在传输过程中发生错误。

时钟定义命名

前级时钟=发送时钟；

后级时钟=采样时钟=接收时钟；

1、使用握手信号进行跨时钟域的数据信号传输

根据发送时钟端数据信号的变化速率和采样时钟频率，可以分为一下三种情况。

(1)数据变化速率比采样时钟频率低

问题：上升沿检测电路检测的是什么信号的上升沿？

使用发送端的控制信号进行同步，在采样到慢时钟域发出的控制信号后，接收数据的时钟沿进行数据采样。

使用如图所示的上升沿检测信号CE作为控制信号（或数据接收的使能信号）控制数据信号的传输。

 

 

(2)数据变化速率比采样时钟频率略高

由于发送时钟比接收时钟快，对于接收时钟而言，发送时钟相当于窄脉冲。

为避免检测不到上升沿，可以结合窄脉冲捕获电路和上升沿检测电路进行边沿检测，并将结果作为使性能信号，但前提是发送时钟频率不能太快。

 

 

(3)数据变化速率比采样时钟频率快很多

问题：可能会导致数据采样不完整，数据丢失的现象。

无法使用握手信号进行数据传输，需要使用FIFO。

 

2、使用FIFO进行跨时钟域的数据信号传输

FIFO设计

同步FIFO架构： 

如图所示为同步FIFO，DPRAM（双端RAM）作为FIFO的存储器，允许读写同步进行，由状态模块控制读写的指针和FIFO的状态。

 

 

同步fifo表示fifo状态的表示方法

 

 

异步FIFO架构： 

异步FIFO用于对性能要求较高的设计中，尤其是始终延迟比系统资源更为重要的环境中。

可以使用与同步FIFO类似的双端RAM和单独读写端口实现，但是要注意产生fifo_empty和fifo_full时要避免出现亚稳态现象。

 

 

避免使用二进制计数器实现指针

在写请求有效时，写指针在写时钟作用下递增；在读请求有效时，读指针在读时钟下递增。

由于读写指针分别与其各自的时钟同步，彼此之间异步，使用二进制计数器实现指针时，可能会导致比较指针值取样错误。