多时钟域设计——数据信号传输

主要内容：

• 跨时钟域数据传输的常用方法
• 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，使用同步器传输多位的数据信号会增大发生亚稳态的概率。

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。

跨时钟域数据传输的常用方法

1. 使用基于MUX的同步器
2. 使用握手信号
3. 使用FIFO

时钟定义命名

前级时钟=发送时钟=源时钟；

后级时钟=采样时钟=接收时钟=目标时钟；

使用基于MUX的同步器

使用同步器同步valid信号，作为mux的选通信号。用于数据传输的选通。

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？检测异步时钟的上升沿。

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。

(4)握手的缺点

每次传输数据都存在latency，且使用的控制信号越多，latency越严重。对于许多开放式数据传递应用程序，简单的两行握手序列就足够了。发送方将数据放在数据总线上，然后将“req”信号同步到接收时钟域。当在目标时钟域中识别到“ req”信号时，接收器将数据输入寄存器中（数据应在目标时钟域中至少有2/3个采样时钟沿保持稳定），然后传递“确认”通过同步器向发送者发出信号（确认）。当发送方识别出同步的“ ack”信号时，发送方可以发送新的数据。

 

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，尤其是时钟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。

跨时钟域的数据信号传输总结

• 如果数据变化速率比采样速率低，或比采样速率略快时，可以使用握手信号进行跨时钟域数据传输；
• 任何频率的数据变化速率和采样速率都可以使用FIFO；
• FIFO的设计需要考虑full&empty信号的产生、格雷码的应用和FIFO深度；