深刻理解跨時鐘域:三個主要問題和解決方案
[導(dǎo)讀]如今，SoCs正變得越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)經(jīng)常從一個時鐘域傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域。上圖信號A由C1時鐘域觸發(fā)，被C2時鐘域采樣。根據(jù)這兩個時鐘之間的關(guān)系，在將數(shù)據(jù)從源時鐘傳輸?shù)侥繕?biāo)時鐘時，可能會出現(xiàn)不同類型的問題，并且這些問題的解決方案也有所不同。本文討論了不同類型的跨時鐘域，以及每種類型...
如今，SoCs正變得越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)經(jīng)常從一個時鐘域傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域。
上圖信號A由C1時鐘域觸發(fā)，被C2時鐘域采樣。根據(jù)這兩個時鐘之間的關(guān)系，在將數(shù)據(jù)從源時鐘傳輸?shù)侥繕?biāo)時鐘時，可能會出現(xiàn)不同類型的問題，并且這些問題的解決方案也有所不同。
本文討論了不同類型的跨時鐘域，以及每種類型中可能遇到的問題及其解決方案。在接下來的所有部分中，都直接使用了上圖所示的信號名稱。例如，C1和C2分別表示源時鐘和目標(biāo)時鐘。類似地，A和B分別被用作源觸發(fā)器輸出和目標(biāo)觸發(fā)器輸出。此外，源和目標(biāo)觸發(fā)器被假定為正沿觸發(fā)。
跨時鐘域問題本節(jié)描述了在出現(xiàn)跨時鐘域時可能出現(xiàn)的三個主要問題，然后還描述了這些問題的解決方案。
A.亞穩(wěn)態(tài)問題。如果信號A上的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在非常接近時鐘C2的邊沿處，它可能會導(dǎo)致在目標(biāo)觸發(fā)器“FB”處的setup 或hold 違反。結(jié)果，輸出信號B進(jìn)行無限振蕩。因此，輸出是不穩(wěn)定的，在C2的下一個時鐘邊緣到達(dá)之前也可能會穩(wěn)定到某個穩(wěn)定的值。這種現(xiàn)象被稱為亞穩(wěn)態(tài)，或者說觸發(fā)器“FB”已經(jīng)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。
從設(shè)計的角度來看，亞穩(wěn)態(tài)又會產(chǎn)生以下后果：1、如果不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)被輸入到設(shè)計中的其他幾個地方，它可能會導(dǎo)致大電流，在最壞的情況下甚至導(dǎo)致芯片燒壞。2、不同的 fan-out可能會讀取不同的信號值，并可能導(dǎo)致設(shè)計進(jìn)入未知的功能狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)功能問題。3、目標(biāo)時鐘域輸出可能穩(wěn)定到新值或返回到舊值。然而，傳播延遲可能很高，會導(dǎo)致時序問題。
如下圖，如果輸入信號A在非常接近C2時鐘的上升沿翻轉(zhuǎn)，則目標(biāo)觸發(fā)器的輸出可以是亞穩(wěn)態(tài)的。因此，它可以不穩(wěn)定，并可能最終穩(wěn)定到信號B1和B2所描述的1或0。
可以通過在目標(biāo)域中添加同步器來避免亞穩(wěn)態(tài)問題。同步器允許振蕩在足夠的時間穩(wěn)定下來，并確保在目標(biāo)時鐘域獲得穩(wěn)定的輸出。一個常用的同步器是一個級聯(lián)觸發(fā)器，如下圖所示。
該結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)計中的控制信號和單比特數(shù)據(jù)信號。多位的數(shù)據(jù)信號需要其他類型的同步方案，如MUX recirculation、握手和FIFO。
B.數(shù)據(jù)丟失
每當(dāng)生成一個新的源數(shù)據(jù)時，由于亞穩(wěn)態(tài)性，它可能不會在目標(biāo)時鐘的第一個周期中被目標(biāo)域捕獲。只要源信號上的每個翻轉(zhuǎn)都在目標(biāo)域中被捕獲，數(shù)據(jù)就不會丟失。為了確保這一點，源數(shù)據(jù)應(yīng)在一段最短的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，以便滿足對目標(biāo)時鐘的至少一個邊沿的setup 和hold 時間的要求。
如果C1和C2的時鐘邊沿非常靠近，則在源數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)之后的C2的第一個時鐘邊沿?zé)o法捕獲它。該數(shù)據(jù)最終被時鐘C2的第二個時鐘邊沿捕獲，如下圖所示。?但是，如果在數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)和時鐘C2的邊沿之間有足夠的時間，則在C2的第一個周期捕獲數(shù)據(jù)。因此，源時鐘域數(shù)據(jù)和目標(biāo)時鐘域數(shù)據(jù)之間可能不會一一對應(yīng)。無論如何，一般情況下源數(shù)據(jù)上的每個翻轉(zhuǎn)都應(yīng)該在目標(biāo)時鐘域中被捕獲。
假設(shè)源時鐘C1的速度是目標(biāo)時鐘C2的兩倍，并且這兩個時鐘之間沒有相位差。進(jìn)一步假設(shè)在時鐘C1的正邊沿生成的輸入數(shù)據(jù)序列“A”為“00110011”。在時鐘C2的正邊沿捕獲的數(shù)據(jù)B將為“0101”。在這里，由于信號A上的所有翻轉(zhuǎn)都被B捕獲了，所以數(shù)據(jù)不會丟失。但是，如果輸入序列為“00101111”，則目標(biāo)域中的輸出將為“0011”。這里輸入序列中的第三個數(shù)據(jù)值“1”丟失。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)應(yīng)該在源時鐘域中保持足夠長的時間不變，以便在目標(biāo)時鐘域中正確捕獲。換句話說，在源數(shù)據(jù)上的每次轉(zhuǎn)換之后，至少有一個目標(biāo)時鐘邊沿應(yīng)該到達(dá)沒有違反setup或hold的地方，以便在目標(biāo)時鐘域中正確地捕獲源數(shù)據(jù)。
C. 數(shù)據(jù)一致性如前一節(jié)所示，每當(dāng)在源時鐘域中生成新數(shù)據(jù)時，可能需要1個或多個目標(biāo)時鐘周期來捕獲它。考慮這樣一種情況，即多個信號從一個時鐘域傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域，并且每個信號使用多級觸發(fā)器同步器分別進(jìn)行同步。如果所有信號同時發(fā)生變化，并且源時鐘和目標(biāo)時鐘邊沿接近，那么一些信號可能在第一個時鐘周期中在目標(biāo)域中被捕獲，而另一些信號可能通過亞穩(wěn)態(tài)在第二個時鐘周期中被捕獲。這可能會導(dǎo)致目標(biāo)端信號上的值組合無效。也就是說，在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性已經(jīng)丟失了。
?如果這些信號一起控制著設(shè)計的某些功能，那么這種無效的狀態(tài)可能會導(dǎo)致功能錯誤。
例如：假設(shè)“00”和“11”是由時鐘C1生成的信號X[0：1]的兩個有效值。最初在X的兩個位上都有一個從1->0的過渡。這兩個轉(zhuǎn)變在第一個周期本身都被時鐘C2捕獲。因此，信號Y變成了“00”。
接下來，在信號X的兩個比特位上都有一個從0->1的轉(zhuǎn)換。在這里，時鐘C2的上升沿接近于信號X的翻轉(zhuǎn)。X[0]上的翻轉(zhuǎn)在第一個時鐘周期中被捕獲，而X[1]上的翻轉(zhuǎn)在C2的第二個時鐘周期中被捕獲。這將導(dǎo)致Y[0：1]上的一個中間值為“10”，這是一個無效的狀態(tài)。在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性丟失了。
在上面的示例中，問題的原因是所有比特沒有在相同的目標(biāo)時鐘周期中捕獲。如果所有比特在同一周期中保留其原始值或更新值，則設(shè)計要么保持原始狀態(tài)，要么進(jìn)入正確的新狀態(tài)（參考異步FIFO）。
如果電路的設(shè)計方式是，在將設(shè)計從一種狀態(tài)更改到另一種狀態(tài)時，只需要更改一個位，那么該位將更改為一個新值或者保留原始值。由于所有其他位在這兩種狀態(tài)下都有相同的值，所以在這種情況下，完整的總線要么變?yōu)樾轮?，要么保留原始值?/span>
這反過來又意味著，如果總線是格雷編碼的，那么這個問題將會得到解決，并且將永遠(yuǎn)不會得到一個無效的狀態(tài)。
但是，這僅適用于控制總線，因為無法對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行格雷編碼。在這種情況下，可以使用握手、FIFO和MUX recirculation（如下圖）等其他技術(shù)來生成一個公共的控制邏輯來正確地傳輸數(shù)據(jù)。
這里，在源時鐘域中產(chǎn)生的控制信號EN使用多級觸發(fā)器同步器在目標(biāo)域中進(jìn)行同步。同步控制信號EN_Sync驅(qū)動mux的選擇引腳，從而控制總線A所有位的數(shù)據(jù)傳輸。通過這種方式，總線的各個位不會單獨(dú)同步，因此不存在數(shù)據(jù)不一致性。但是，重要的是要確保當(dāng)控制信號被激活時，源域數(shù)據(jù)A[0：1]應(yīng)保持不變。
上圖信號A由C1時鐘域觸發(fā)，被C2時鐘域采樣。根據(jù)這兩個時鐘之間的關(guān)系，在將數(shù)據(jù)從源時鐘傳輸?shù)侥繕?biāo)時鐘時，可能會出現(xiàn)不同類型的問題，并且這些問題的解決方案也有所不同。
本文討論了不同類型的跨時鐘域，以及每種類型中可能遇到的問題及其解決方案。在接下來的所有部分中，都直接使用了上圖所示的信號名稱。例如，C1和C2分別表示源時鐘和目標(biāo)時鐘。類似地，A和B分別被用作源觸發(fā)器輸出和目標(biāo)觸發(fā)器輸出。此外，源和目標(biāo)觸發(fā)器被假定為正沿觸發(fā)。
跨時鐘域問題本節(jié)描述了在出現(xiàn)跨時鐘域時可能出現(xiàn)的三個主要問題，然后還描述了這些問題的解決方案。
A.亞穩(wěn)態(tài)問題。如果信號A上的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在非常接近時鐘C2的邊沿處，它可能會導(dǎo)致在目標(biāo)觸發(fā)器“FB”處的setup 或hold 違反。結(jié)果，輸出信號B進(jìn)行無限振蕩。因此，輸出是不穩(wěn)定的，在C2的下一個時鐘邊緣到達(dá)之前也可能會穩(wěn)定到某個穩(wěn)定的值。這種現(xiàn)象被稱為亞穩(wěn)態(tài)，或者說觸發(fā)器“FB”已經(jīng)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。
從設(shè)計的角度來看，亞穩(wěn)態(tài)又會產(chǎn)生以下后果：1、如果不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)被輸入到設(shè)計中的其他幾個地方，它可能會導(dǎo)致大電流，在最壞的情況下甚至導(dǎo)致芯片燒壞。2、不同的 fan-out可能會讀取不同的信號值，并可能導(dǎo)致設(shè)計進(jìn)入未知的功能狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)功能問題。3、目標(biāo)時鐘域輸出可能穩(wěn)定到新值或返回到舊值。然而，傳播延遲可能很高，會導(dǎo)致時序問題。
如下圖，如果輸入信號A在非常接近C2時鐘的上升沿翻轉(zhuǎn)，則目標(biāo)觸發(fā)器的輸出可以是亞穩(wěn)態(tài)的。因此，它可以不穩(wěn)定，并可能最終穩(wěn)定到信號B1和B2所描述的1或0。
可以通過在目標(biāo)域中添加同步器來避免亞穩(wěn)態(tài)問題。同步器允許振蕩在足夠的時間穩(wěn)定下來，并確保在目標(biāo)時鐘域獲得穩(wěn)定的輸出。一個常用的同步器是一個級聯(lián)觸發(fā)器，如下圖所示。
該結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)計中的控制信號和單比特數(shù)據(jù)信號。多位的數(shù)據(jù)信號需要其他類型的同步方案，如MUX recirculation、握手和FIFO。
B.數(shù)據(jù)丟失
每當(dāng)生成一個新的源數(shù)據(jù)時，由于亞穩(wěn)態(tài)性，它可能不會在目標(biāo)時鐘的第一個周期中被目標(biāo)域捕獲。只要源信號上的每個翻轉(zhuǎn)都在目標(biāo)域中被捕獲，數(shù)據(jù)就不會丟失。為了確保這一點，源數(shù)據(jù)應(yīng)在一段最短的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，以便滿足對目標(biāo)時鐘的至少一個邊沿的setup 和hold 時間的要求。
如果C1和C2的時鐘邊沿非常靠近，則在源數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)之后的C2的第一個時鐘邊沿?zé)o法捕獲它。該數(shù)據(jù)最終被時鐘C2的第二個時鐘邊沿捕獲，如下圖所示。?但是，如果在數(shù)據(jù)A翻轉(zhuǎn)和時鐘C2的邊沿之間有足夠的時間，則在C2的第一個周期捕獲數(shù)據(jù)。因此，源時鐘域數(shù)據(jù)和目標(biāo)時鐘域數(shù)據(jù)之間可能不會一一對應(yīng)。無論如何，一般情況下源數(shù)據(jù)上的每個翻轉(zhuǎn)都應(yīng)該在目標(biāo)時鐘域中被捕獲。
假設(shè)源時鐘C1的速度是目標(biāo)時鐘C2的兩倍，并且這兩個時鐘之間沒有相位差。進(jìn)一步假設(shè)在時鐘C1的正邊沿生成的輸入數(shù)據(jù)序列“A”為“00110011”。在時鐘C2的正邊沿捕獲的數(shù)據(jù)B將為“0101”。在這里，由于信號A上的所有翻轉(zhuǎn)都被B捕獲了，所以數(shù)據(jù)不會丟失。但是，如果輸入序列為“00101111”，則目標(biāo)域中的輸出將為“0011”。這里輸入序列中的第三個數(shù)據(jù)值“1”丟失。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)應(yīng)該在源時鐘域中保持足夠長的時間不變，以便在目標(biāo)時鐘域中正確捕獲。換句話說，在源數(shù)據(jù)上的每次轉(zhuǎn)換之后，至少有一個目標(biāo)時鐘邊沿應(yīng)該到達(dá)沒有違反setup或hold的地方，以便在目標(biāo)時鐘域中正確地捕獲源數(shù)據(jù)。
C. 數(shù)據(jù)一致性如前一節(jié)所示，每當(dāng)在源時鐘域中生成新數(shù)據(jù)時，可能需要1個或多個目標(biāo)時鐘周期來捕獲它。考慮這樣一種情況，即多個信號從一個時鐘域傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域，并且每個信號使用多級觸發(fā)器同步器分別進(jìn)行同步。如果所有信號同時發(fā)生變化，并且源時鐘和目標(biāo)時鐘邊沿接近，那么一些信號可能在第一個時鐘周期中在目標(biāo)域中被捕獲，而另一些信號可能通過亞穩(wěn)態(tài)在第二個時鐘周期中被捕獲。這可能會導(dǎo)致目標(biāo)端信號上的值組合無效。也就是說，在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性已經(jīng)丟失了。
?如果這些信號一起控制著設(shè)計的某些功能，那么這種無效的狀態(tài)可能會導(dǎo)致功能錯誤。
例如：假設(shè)“00”和“11”是由時鐘C1生成的信號X[0：1]的兩個有效值。最初在X的兩個位上都有一個從1->0的過渡。這兩個轉(zhuǎn)變在第一個周期本身都被時鐘C2捕獲。因此，信號Y變成了“00”。
接下來，在信號X的兩個比特位上都有一個從0->1的轉(zhuǎn)換。在這里，時鐘C2的上升沿接近于信號X的翻轉(zhuǎn)。X[0]上的翻轉(zhuǎn)在第一個時鐘周期中被捕獲，而X[1]上的翻轉(zhuǎn)在C2的第二個時鐘周期中被捕獲。這將導(dǎo)致Y[0：1]上的一個中間值為“10”，這是一個無效的狀態(tài)。在這種情況下，數(shù)據(jù)的一致性丟失了。
在上面的示例中，問題的原因是所有比特沒有在相同的目標(biāo)時鐘周期中捕獲。如果所有比特在同一周期中保留其原始值或更新值，則設(shè)計要么保持原始狀態(tài)，要么進(jìn)入正確的新狀態(tài)（參考異步FIFO）。
如果電路的設(shè)計方式是，在將設(shè)計從一種狀態(tài)更改到另一種狀態(tài)時，只需要更改一個位，那么該位將更改為一個新值或者保留原始值。由于所有其他位在這兩種狀態(tài)下都有相同的值，所以在這種情況下，完整的總線要么變?yōu)樾轮?，要么保留原始值?/span>
這反過來又意味著，如果總線是格雷編碼的，那么這個問題將會得到解決，并且將永遠(yuǎn)不會得到一個無效的狀態(tài)。
但是，這僅適用于控制總線，因為無法對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行格雷編碼。在這種情況下，可以使用握手、FIFO和MUX recirculation（如下圖）等其他技術(shù)來生成一個公共的控制邏輯來正確地傳輸數(shù)據(jù)。
這里，在源時鐘域中產(chǎn)生的控制信號EN使用多級觸發(fā)器同步器在目標(biāo)域中進(jìn)行同步。同步控制信號EN_Sync驅(qū)動mux的選擇引腳，從而控制總線A所有位的數(shù)據(jù)傳輸。通過這種方式，總線的各個位不會單獨(dú)同步，因此不存在數(shù)據(jù)不一致性。但是，重要的是要確保當(dāng)控制信號被激活時，源域數(shù)據(jù)A[0：1]應(yīng)保持不變。
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