跨时钟域（CDC）设计方法之多bit信号篇（一）

写在前面

        本博客所有CDC相关的内容：跨时钟域（CDC）设计汇总

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1、跨时钟域处理方法的分类

        信号的跨时钟域传输可能会引入亚稳态问题，那么就需要想办法对其进行处理，从而降低亚稳态发生的概率（即提高MTBF）。

        跨时钟域处理方法可以分为两个大类：单Bit信号跨时钟域处理、多Bit信号跨时钟域处理。分类的原因是多bit信号的传递不光只有亚稳态这一个问题，还可能会因为多个信号之间由于工艺、PCB布局等因素导致的信号传输延时（skew）的存在，从而导致信号被漏采或者错采。

2、合并多个控制信号

        在下面的例子中，数据的读取需要载入信号load和使能信号en同时置位，但是这两个信号之间存在一个小偏差（skew），在分别进行单bit的跨时钟域同步时，由于小skew的存在，导致这两个信号在被同步到目的时钟域后有一个时钟周期的偏差，而这个偏差直接导致数据无法被读取。

        现在不妨问自己：这两个信号是否都必须传递？实际上不是必须的，应用中我们可以把两个信号合并为一个控制信号，这样就将多bit信号的跨时钟域传递转换成了单bit信号的跨时钟域传递。如下：

 3、格雷码

        在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称这种编码为格雷码（Gray Code），另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。 关于格雷码的内容：Verilog实现的格雷码与二进制码的互相转换

        下表给出了4bit自然二进制码、4bit典型格雷码（无特殊说明，典型格雷码即格雷码）与4bit十进制整数的对照：

         从格雷码的性质，我们可以发现其虽然是多bit信号的CDC，但是由于每次只有相邻的一位不同，实际上就是1bit信号的CDC，好家伙，又把问题转化成了我们熟悉的单bit信号的跨时钟域问题。

        但是格雷码的应用也有局限：

• 格雷码只有相邻的两位之间存在只有1bit的改变，这就意味着数据的改变必须要连续（相邻），也就是说其只适用连续变化的数据，例如计数器，这无疑限制了格雷码的应用场景；
• 格雷码传递的数据个数必须为2的N次幂----由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此格雷码又称循环码。若格雷码个数不为2的N次幂，则无法实现“首尾相连”，即最后一位传递到初始位时，就不止变化1bit了，这无疑违背了我们使用格雷码的初衷。

4、握手法

        握手法的本质是负反馈，通俗来讲，就是先将被CDC信号展宽，展宽后将其同步到目的时钟域，在目的时钟域生成指示信号，该指示信号用来指示此时信号已经被目的时钟域接收，然后将指示信号反馈到源时钟域（反馈过程），源时钟域接收到这个反馈信号后将被CDC信号拉低，从而确定了展宽长度，也通过”发送--反馈--操作“这一握手过程完成了一次CDC传输。

        上图是典型的握手过程来进行CDC：

• 源时钟域aclk下的信号adt1信号是要进行CDC的信号；
• adt1先是在源时钟域aclk下被展宽，然后通过两级同步器被同步到目的时钟域bclk下，分别为bq1_dat，bq2_dat；
• bq2_dat作为指示信号（反馈信号，也可以通过bq1_dat和bq2_dat来生成新的指示信号）又被反馈到了目的时钟域aclk下，并进行同步，分别为aq1_dat，aq2_dat；
• aq2_dat的拉高则说明反馈信号的同步完成，此时可以将adt1拉低（结束展宽过程）；
• adt1拉低（结束展宽过程）后表示一次CDC操作结束。

        握手法是一种很保险的方法，但是缺点也很明显：需要的时序开销很大。

5、异步FIFO

        毫无疑问异步FIFO是多bit信号来跨时钟域处理的最好的、也是最常用的方法。异步FIFO通过先进新出的缓存机制，将两端数据的读写都控制在各自的时钟域内，时钟域之间通过指针+格雷码形式来指示数据的空、满。

        关于异步FIFO可以参考：

                异步FIFO的Verilg实现方法

                关于异步FIFO设计，这7点你必须要搞清楚

6、DMUX同步器

        对于多bit的data信号，还可以使用使能技术，也就是通过一个使能信号来判断data信号是否已经稳定，当使能信号有效的时候说明data处于稳定状态，在这种情况下终点寄存器才对信号进行采样，可以保证没有setup/hold违例。而使能信号一般使用double FF的方法来进行同步。下面是DMUX的同步示意图：

7、其他

• 以往我的文章我一般都是会贴出代码和仿真测试的。这次我就不贴了，因为我找到了一个不需要自己敲代码的方法。这个方法就下一篇文章再写吧！
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