同步和異步跨時(shí)鐘域示例分析
[導(dǎo)讀]本文主要介紹各種類型的跨時(shí)鐘域問題。同步時(shí)鐘是指具有已知相位和頻率關(guān)系的時(shí)鐘。這些時(shí)鐘本質(zhì)上是來自同一時(shí)鐘源。根據(jù)相位和頻率關(guān)系，可分為以下幾類：具有相同頻率和零相位差的時(shí)鐘具有相同頻率和固定相位差的時(shí)鐘具有不同頻率和可變相位差的時(shí)鐘整數(shù)倍時(shí)鐘非整數(shù)倍時(shí)鐘具有相同頻率和零相位差的...
本文主要介紹各種類型的跨時(shí)鐘域問題。同步時(shí)鐘是指具有已知相位和頻率關(guān)系的時(shí)鐘。這些時(shí)鐘本質(zhì)上是來自同一時(shí)鐘源。根據(jù)相位和頻率關(guān)系，可分為以下幾類：
具有相同頻率和零相位差的時(shí)鐘具有相同頻率和固定相位差的時(shí)鐘具有不同頻率和可變相位差的時(shí)鐘整數(shù)倍時(shí)鐘非整數(shù)倍時(shí)鐘
具有相同頻率和零相位差的時(shí)鐘時(shí)鐘C1和C2具有相同的頻率和0相位差。由于此時(shí)時(shí)鐘C1和C2是相同的，并且由相同的時(shí)鐘源產(chǎn)生，因此從C1到C2的數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上不是跨時(shí)鐘域。每當(dāng)數(shù)據(jù)從時(shí)鐘C1傳輸?shù)紺2時(shí)，一個(gè)C1(或C2)時(shí)鐘周期就可以完成數(shù)據(jù)采樣，如下圖所示。
具有相同頻率和固定相位差的時(shí)鐘如下圖所示時(shí)鐘C1和C2具有相同的頻率，但發(fā)生相位偏移，C1領(lǐng)先C2 3T/4時(shí)間單位。每當(dāng)數(shù)據(jù)從時(shí)鐘C1傳輸?shù)紺2時(shí)，由于setup/hold margin較小，對組合邏輯延遲有更嚴(yán)格的要求（setup或者h(yuǎn)old ）。如果數(shù)據(jù)傳輸處的setup/hold時(shí)間滿足要求，數(shù)據(jù)將被正確地傳輸，并且不存在亞穩(wěn)態(tài)。在這種情況下也不需要同步器，唯一的要求是設(shè)計(jì)STA clean。
具有不同頻率和可變相位差的時(shí)鐘
這里可以有兩個(gè)子類別：1、一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘周期是另一個(gè)時(shí)鐘的整數(shù)倍（奇數(shù)倍和整數(shù)倍）2、一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘周期是另一個(gè)時(shí)鐘的非整數(shù)倍。
在這兩種情況下，時(shí)鐘邊沿之間的相位差可以是可變的。
1. 整數(shù)倍時(shí)鐘在這種情況下，一個(gè)時(shí)鐘的頻率是另一個(gè)時(shí)鐘的奇數(shù)倍，它們邊沿之間的相位差是可變的。下圖中2個(gè)時(shí)鐘邊沿之間的最大相位差等于快速時(shí)鐘的時(shí)間周期。時(shí)鐘C1比時(shí)鐘C2快3倍。假設(shè)T是時(shí)鐘C1的時(shí)鐘周期，時(shí)鐘C2采樣到的數(shù)據(jù)可能來自時(shí)鐘C1的T、2T或3T時(shí)刻數(shù)據(jù)。在進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析時(shí)需要針對setup和hold的最差情況。在上面這種情況下，由慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘的數(shù)據(jù)傳輸只要滿足時(shí)序，不存在亞穩(wěn)態(tài)或數(shù)據(jù)不一致，也不需要同步器。然而，在快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的情況下存在數(shù)據(jù)丟失的問題。為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該至少在一個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘（慢時(shí)鐘）的周期內(nèi)保持不變。這可以通過一些控制電路（例如狀態(tài)機(jī)）來保證。在上圖的示例中，如果源時(shí)鐘每3個(gè)周期生成一次源數(shù)據(jù)，則不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
2.非整數(shù)倍時(shí)鐘
在這種情況下，一個(gè)時(shí)鐘的頻率是另一個(gè)時(shí)鐘的非整數(shù)倍，時(shí)鐘邊沿之間的相位差是可變的。這里考慮兩種情況：第1種情況下，兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿非常近，近到足以導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)問題。然而，一旦時(shí)鐘邊沿接近，在下一個(gè)周期中有足夠的時(shí)間來適當(dāng)?shù)夭东@數(shù)據(jù)。在這種情況下，這兩個(gè)時(shí)鐘的邊沿可以斷斷續(xù)續(xù)地結(jié)合在一起。
換句話說，時(shí)鐘邊沿一次接合在一起，然后在接下來的幾個(gè)周期中，時(shí)鐘邊沿之間會有足夠的時(shí)間以正確地捕獲數(shù)據(jù)。在這里，“近”一詞意味著足夠近，足以引起亞穩(wěn)態(tài)。
在下圖中，時(shí)鐘C1和C2的時(shí)間周期分別為10ns和7ns。由于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)時(shí)鐘邊沿非常接近時(shí)，可能無法在目標(biāo)時(shí)鐘域中捕獲數(shù)據(jù)。然而，在下一個(gè)周期中，就可能有足夠的時(shí)間以便目標(biāo)時(shí)鐘可以正確地捕獲數(shù)據(jù)。如下圖所示，雖然預(yù)期輸出是B1，實(shí)際波形看起來像B2，但在這種情況下仍然沒有數(shù)據(jù)丟失（當(dāng)然也不是每一拍都能采到）。對于快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的跨時(shí)鐘域傳輸，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該在至少一個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變。同樣，這可以通過使用一個(gè)簡單的FSM來實(shí)現(xiàn)。
第2種情況下，兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿可以足夠接近并且連續(xù)多個(gè)周期。在這種情況下，時(shí)鐘之間的相位差有時(shí)非常小，并且可以保持幾個(gè)周期。這與異步時(shí)鐘非常相似，除了可變相位差是已知的并周期性地重復(fù)。
下圖中這兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿連續(xù)4個(gè)周期非常接近。在前2個(gè)周期中，有可能出現(xiàn)setup違例，而在接下來的2個(gè)周期中，也有可能出現(xiàn)hold違例。在這種情況下，將存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需要進(jìn)行同步。除了亞穩(wěn)態(tài)之外，還可能存在數(shù)據(jù)丟失的問題，盡管它是一個(gè)慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘域的傳輸。上圖中，如果沒有亞穩(wěn)態(tài)，B1是預(yù)期的輸出。但是，實(shí)際的輸出可以是B2。這里的數(shù)據(jù)值“1”丟失，因?yàn)樵诘谝粋€(gè)周期中，值“1”由于setup違例而沒有被捕獲，而在第二個(gè)周期中，新值“0”被錯(cuò)誤捕獲。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)需要在至少兩個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變。這可以通過使用一個(gè)簡單的FSM來控制源數(shù)據(jù)的生成來實(shí)現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)不連貫性的問題可能仍然存在。在這種情況下，需要使用握手和FIFO等技術(shù)處理數(shù)據(jù)的不連貫性問題。
異步跨時(shí)鐘域
沒有已知相位或頻率關(guān)系的時(shí)鐘被稱為異步時(shí)鐘。異步時(shí)鐘之間的相位差是可變的，而且不像同步時(shí)鐘，它是不可預(yù)測的。
如果已知源時(shí)鐘頻率和目標(biāo)時(shí)鐘頻率，則可以通過保持源數(shù)據(jù)在目標(biāo)時(shí)鐘的兩個(gè)周期內(nèi)不變來防止數(shù)據(jù)丟失。如果電路要被設(shè)計(jì)為獨(dú)立于時(shí)鐘頻率，則應(yīng)使用握手或FIFO技術(shù)來防止亞穩(wěn)態(tài)、數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)一致性問題。
具有相同頻率和零相位差的時(shí)鐘具有相同頻率和固定相位差的時(shí)鐘具有不同頻率和可變相位差的時(shí)鐘整數(shù)倍時(shí)鐘非整數(shù)倍時(shí)鐘
具有相同頻率和零相位差的時(shí)鐘時(shí)鐘C1和C2具有相同的頻率和0相位差。由于此時(shí)時(shí)鐘C1和C2是相同的，并且由相同的時(shí)鐘源產(chǎn)生，因此從C1到C2的數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上不是跨時(shí)鐘域。每當(dāng)數(shù)據(jù)從時(shí)鐘C1傳輸?shù)紺2時(shí)，一個(gè)C1(或C2)時(shí)鐘周期就可以完成數(shù)據(jù)采樣，如下圖所示。
具有相同頻率和固定相位差的時(shí)鐘如下圖所示時(shí)鐘C1和C2具有相同的頻率，但發(fā)生相位偏移，C1領(lǐng)先C2 3T/4時(shí)間單位。每當(dāng)數(shù)據(jù)從時(shí)鐘C1傳輸?shù)紺2時(shí)，由于setup/hold margin較小，對組合邏輯延遲有更嚴(yán)格的要求（setup或者h(yuǎn)old ）。如果數(shù)據(jù)傳輸處的setup/hold時(shí)間滿足要求，數(shù)據(jù)將被正確地傳輸，并且不存在亞穩(wěn)態(tài)。在這種情況下也不需要同步器，唯一的要求是設(shè)計(jì)STA clean。
具有不同頻率和可變相位差的時(shí)鐘
這里可以有兩個(gè)子類別：1、一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘周期是另一個(gè)時(shí)鐘的整數(shù)倍（奇數(shù)倍和整數(shù)倍）2、一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘周期是另一個(gè)時(shí)鐘的非整數(shù)倍。
在這兩種情況下，時(shí)鐘邊沿之間的相位差可以是可變的。
1. 整數(shù)倍時(shí)鐘在這種情況下，一個(gè)時(shí)鐘的頻率是另一個(gè)時(shí)鐘的奇數(shù)倍，它們邊沿之間的相位差是可變的。下圖中2個(gè)時(shí)鐘邊沿之間的最大相位差等于快速時(shí)鐘的時(shí)間周期。時(shí)鐘C1比時(shí)鐘C2快3倍。假設(shè)T是時(shí)鐘C1的時(shí)鐘周期，時(shí)鐘C2采樣到的數(shù)據(jù)可能來自時(shí)鐘C1的T、2T或3T時(shí)刻數(shù)據(jù)。在進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析時(shí)需要針對setup和hold的最差情況。在上面這種情況下，由慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘的數(shù)據(jù)傳輸只要滿足時(shí)序，不存在亞穩(wěn)態(tài)或數(shù)據(jù)不一致，也不需要同步器。然而，在快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的情況下存在數(shù)據(jù)丟失的問題。為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該至少在一個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘（慢時(shí)鐘）的周期內(nèi)保持不變。這可以通過一些控制電路（例如狀態(tài)機(jī)）來保證。在上圖的示例中，如果源時(shí)鐘每3個(gè)周期生成一次源數(shù)據(jù)，則不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
2.非整數(shù)倍時(shí)鐘
在這種情況下，一個(gè)時(shí)鐘的頻率是另一個(gè)時(shí)鐘的非整數(shù)倍，時(shí)鐘邊沿之間的相位差是可變的。這里考慮兩種情況：第1種情況下，兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿非常近，近到足以導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)問題。然而，一旦時(shí)鐘邊沿接近，在下一個(gè)周期中有足夠的時(shí)間來適當(dāng)?shù)夭东@數(shù)據(jù)。在這種情況下，這兩個(gè)時(shí)鐘的邊沿可以斷斷續(xù)續(xù)地結(jié)合在一起。
換句話說，時(shí)鐘邊沿一次接合在一起，然后在接下來的幾個(gè)周期中，時(shí)鐘邊沿之間會有足夠的時(shí)間以正確地捕獲數(shù)據(jù)。在這里，“近”一詞意味著足夠近，足以引起亞穩(wěn)態(tài)。
在下圖中，時(shí)鐘C1和C2的時(shí)間周期分別為10ns和7ns。由于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)時(shí)鐘邊沿非常接近時(shí)，可能無法在目標(biāo)時(shí)鐘域中捕獲數(shù)據(jù)。然而，在下一個(gè)周期中，就可能有足夠的時(shí)間以便目標(biāo)時(shí)鐘可以正確地捕獲數(shù)據(jù)。如下圖所示，雖然預(yù)期輸出是B1，實(shí)際波形看起來像B2，但在這種情況下仍然沒有數(shù)據(jù)丟失（當(dāng)然也不是每一拍都能采到）。對于快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的跨時(shí)鐘域傳輸，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該在至少一個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變。同樣，這可以通過使用一個(gè)簡單的FSM來實(shí)現(xiàn)。
第2種情況下，兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿可以足夠接近并且連續(xù)多個(gè)周期。在這種情況下，時(shí)鐘之間的相位差有時(shí)非常小，并且可以保持幾個(gè)周期。這與異步時(shí)鐘非常相似，除了可變相位差是已知的并周期性地重復(fù)。
下圖中這兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘邊沿連續(xù)4個(gè)周期非常接近。在前2個(gè)周期中，有可能出現(xiàn)setup違例，而在接下來的2個(gè)周期中，也有可能出現(xiàn)hold違例。在這種情況下，將存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需要進(jìn)行同步。除了亞穩(wěn)態(tài)之外，還可能存在數(shù)據(jù)丟失的問題，盡管它是一個(gè)慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘域的傳輸。上圖中，如果沒有亞穩(wěn)態(tài)，B1是預(yù)期的輸出。但是，實(shí)際的輸出可以是B2。這里的數(shù)據(jù)值“1”丟失，因?yàn)樵诘谝粋€(gè)周期中，值“1”由于setup違例而沒有被捕獲，而在第二個(gè)周期中，新值“0”被錯(cuò)誤捕獲。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)需要在至少兩個(gè)目標(biāo)時(shí)鐘周期內(nèi)保持不變。這可以通過使用一個(gè)簡單的FSM來控制源數(shù)據(jù)的生成來實(shí)現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)不連貫性的問題可能仍然存在。在這種情況下，需要使用握手和FIFO等技術(shù)處理數(shù)據(jù)的不連貫性問題。
異步跨時(shí)鐘域
沒有已知相位或頻率關(guān)系的時(shí)鐘被稱為異步時(shí)鐘。異步時(shí)鐘之間的相位差是可變的，而且不像同步時(shí)鐘，它是不可預(yù)測的。
如果已知源時(shí)鐘頻率和目標(biāo)時(shí)鐘頻率，則可以通過保持源數(shù)據(jù)在目標(biāo)時(shí)鐘的兩個(gè)周期內(nèi)不變來防止數(shù)據(jù)丟失。如果電路要被設(shè)計(jì)為獨(dú)立于時(shí)鐘頻率，則應(yīng)使用握手或FIFO技術(shù)來防止亞穩(wěn)態(tài)、數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)一致性問題。
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