跨时钟域(CDC)_cdc axi

IP之间交互的信号分为总线信号以及其他数据/控制信号，总线信号如AXI和AHB协议，所有采用AXI协议的总线时钟都是ACLK，所有的总线信号都同步到ACLK，所以总线信号不存在跨时钟域的问题，而对于其他数据/控制信号，当一个时钟域的数据/控制信号传输到另一个时钟域时，其可能在建立时间或保持时间窗口内发生跳变，从而可能发生亚稳态。如下图所示，两个DFF分属两个不同的时钟域a和b，时钟域a的数据adat(其有效电平持续一个时钟周期)需要传输到时钟域b，由于adata对于bclk是异步的，所以有可能adata在DFF的建立时间的窗口期内发生跳变，造成bdat1是一个不确定的状态，也就是DFF1出现了亚稳态，注意，跨时钟域并不一定会出现亚稳态，只是有可能会出现。解决跨时钟域亚稳态的方案有很多，主要有两级同步和异步FIFO。

如下图所示，利用两级同步解决跨时钟域的亚稳态问题，如果第一级触发器可以在一个bclk周期内从亚稳态回到稳定态，那么第二级就不会出现亚稳态，否则亚稳态将向后传播，实际应用中，两级同步便可以阻断亚稳态的传播，使用两级同步后，亚稳态继续向后级传播概率极其低，因此两级同步并不是消除了亚稳态，而是降低了亚稳态发生的概率，使其在可接受范围内。显然，使用三级同步甚至更多级同步可以进一步降低亚稳态发生的概率，那么为什么还使用两级同步呢？有两个方面的原因，一是对于大多数芯片而言，使用两级同步后，亚稳态发生的概率在可接受的范围内，二是两级同步是打两拍，三级同步是打三拍，更多级同步意味着芯片的速度将受到影响，但对于车规级芯片，其对可靠性要求较高，在处理跨时钟域时需要使用三级同步甚至四级同步。

在上面的例子中，第一级触发器如果在一个时钟周期内从亚稳态回到稳定态，那么亚稳态就不会继续向后级传播，但其回到稳定态输出0或1是不确定，从而可能出现数据错误。在实际设计中，一个时钟域的数据/控制信号传输到另一个时钟域时，其有效电平往往会持续多个时钟周期，即使在第一个时钟沿采到的是不稳定的值，在下一个时钟沿可能就采到稳定的值。

对于单比特信号，其两级同步需要额外消耗一个触发器，对于16比特的数据线，其两级同步需要额外消耗16个触发器，而触发器的面积是比较大