CDC跨時(shí)鐘域處理

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1、跨時(shí)鐘域電路設(shè)計(jì)2014年8月鐘楊源主要內(nèi)容?1.單一信號(hào)跨時(shí)鐘域處理?2.總線數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理?3.數(shù)據(jù)流的跨時(shí)鐘域處理?4.相關(guān)時(shí)鐘系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步跨時(shí)鐘域問(wèn)題（ClockDomainCrossing）?跨時(shí)鐘域有以下兩種情況：?(1)兩個(gè)不同的頻率時(shí)鐘域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；?(2)兩個(gè)時(shí)鐘域工作頻率相同，但是相位不相同；跨時(shí)鐘域問(wèn)題可能出現(xiàn)的問(wèn)題和危害?1.亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題?2.數(shù)據(jù)采樣錯(cuò)誤?3.時(shí)序收斂一、單一信號(hào)跨時(shí)鐘域處理?慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域雙寄存器同步電路或脈沖邊沿采樣電路?快時(shí)鐘域?慢時(shí)鐘域拉伸脈

2、寬脈沖同步器（結(jié)繩法）亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生?當(dāng)建立/保持時(shí)間違反時(shí)，寄存器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，會(huì)在0和1之間反復(fù)振蕩，直到穩(wěn)定在一個(gè)未知的狀態(tài)。如果讓這個(gè)振蕩傳導(dǎo)到后級(jí)邏輯，會(huì)導(dǎo)致電路工作混亂。平均失效時(shí)間觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的幾率可以用觸發(fā)器采樣的平均失效時(shí)間間隔MTBF(MeanTimeBetweenFailures)描述。若MTBF很大，就認(rèn)為該設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中能夠正常運(yùn)行。分辨時(shí)間（亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)穩(wěn)定時(shí)間）輸入數(shù)據(jù)的跳變頻率觸發(fā)器參數(shù)采樣時(shí)鐘頻率敏感時(shí)間窗口參數(shù)平均失效時(shí)間的計(jì)算對(duì)于一個(gè)典型的0.25μm工藝的ASI

3、C庫(kù)中的一個(gè)觸發(fā)器，我們?nèi)∪缦碌膮?shù)：T=2.3ns,?=0.31ns,Tw=9.6as,fc=100MHZ,fd=10MHZ,MTBF=2.01days即觸發(fā)器每?jī)商毂憧赡艹霈F(xiàn)一次亞穩(wěn)態(tài)，說(shuō)明一級(jí)同步很容易出現(xiàn)問(wèn)題。單信號(hào)：慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域?如果我們?nèi)匀皇褂猛瑯拥膮?shù)，則第2級(jí)觸發(fā)器的MTBF為9.57*10^9(years)。這個(gè)值已經(jīng)足以使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定?？偨Y(jié)?問(wèn)題1：為何直接對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行采樣會(huì)不穩(wěn)定？?問(wèn)題2：要使用幾級(jí)寄存器進(jìn)行同步最合適？?問(wèn)題3：同步寄存器電路可以防止亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生嗎？總

4、結(jié)?問(wèn)題1：為何直接對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行采樣會(huì)不穩(wěn)定？?答：采樣時(shí)會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)?問(wèn)題2：要使用幾級(jí)寄存器進(jìn)行同步最合適？?答：2級(jí)同步器的平均失效時(shí)間已經(jīng)足夠大，3級(jí)同步影響速度?問(wèn)題3：同步寄存器電路可以防止亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生嗎？?答：亞穩(wěn)態(tài)在異步電路中是不可避免的，同步電路的作用只是為了不讓亞穩(wěn)態(tài)傳播。單信號(hào)：快時(shí)鐘域?慢時(shí)鐘域?當(dāng)快時(shí)鐘域的信號(hào)跳變太快，導(dǎo)致目標(biāo)時(shí)鐘域無(wú)法采樣時(shí)，應(yīng)如何處理？?1.拉伸快時(shí)鐘域信號(hào)的脈沖寬度使其足以被正確采樣?2.結(jié)繩法（脈沖同步器）①脈沖拉伸法脈沖拉伸同步電路②結(jié)繩法?信號(hào)

5、從快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過(guò)渡時(shí)，慢時(shí)鐘將可能無(wú)法對(duì)變化太快的信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確采樣。?“結(jié)繩法”原理：將快時(shí)鐘信號(hào)的脈沖周期延長(zhǎng)，等到慢時(shí)鐘同步采樣后再“解繩”還原為原來(lái)的脈沖周期寬度。單信號(hào)：快時(shí)鐘域?慢時(shí)鐘域結(jié)繩同步電路SynopsysDW庫(kù)內(nèi)的推薦電路脈沖同步器使用規(guī)則?1.總線數(shù)據(jù)不能對(duì)每個(gè)信號(hào)單獨(dú)使用同步器，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法同時(shí)有效。?2.輸入的信號(hào)必須是單周期脈寬，否則無(wú)法成功進(jìn)行“結(jié)繩”操作?3.輸入脈沖之間的最小間隔必須等于兩個(gè)同步器時(shí)鐘周期。如果輸入脈沖相鄰太近，則同步器就不能檢測(cè)到每個(gè)脈沖。

6、問(wèn)題?1.信號(hào)從快時(shí)鐘—>慢時(shí)鐘與慢時(shí)鐘—>快時(shí)鐘在考慮問(wèn)題時(shí)有什么差別？?2.為什么不能直接用慢時(shí)鐘采樣快時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)？?3.快時(shí)鐘—>慢時(shí)鐘域同步的核心思想應(yīng)該是什么？問(wèn)題?1.信號(hào)從快時(shí)鐘—>慢時(shí)鐘與慢時(shí)鐘—>快時(shí)鐘有什么差別？?慢時(shí)鐘—>快時(shí)鐘只要考慮亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，?快時(shí)鐘—>慢時(shí)鐘的情況還要考慮采樣速率的問(wèn)題?2.為什么不能直接用慢時(shí)鐘采樣快時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)？?根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當(dāng)采樣頻率低于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，是無(wú)法完整正確采樣的。?3.快時(shí)鐘—>慢時(shí)鐘域同步的核心思想應(yīng)該是什么？?握手

7、機(jī)制主要內(nèi)容?1.單一信號(hào)跨時(shí)鐘域處理?2.總線數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理?3.數(shù)據(jù)流的跨時(shí)鐘域處理?4.相關(guān)時(shí)鐘系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步二、總線數(shù)據(jù)同步?跨時(shí)鐘域?qū)偩€進(jìn)行采樣時(shí)，數(shù)據(jù)總線上有可能出現(xiàn)瞬時(shí)虛假數(shù)值。例如，一條8位總線上有3個(gè)位發(fā)生了改變，若信號(hào)到達(dá)時(shí)間不一致，就有會(huì)看到8個(gè)可能出現(xiàn)的數(shù)值。?1.慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域?（1）數(shù)據(jù)編碼采用格雷碼?（2）結(jié)繩法處理有效信號(hào)?2.慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域?帶回復(fù)的結(jié)繩法總線信號(hào)：慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域處理方法1：采用格雷碼?格雷碼又稱(chēng)獨(dú)熱碼，相鄰值只會(huì)有一位跳變?在任意時(shí)

8、刻，總線上的數(shù)據(jù)只有一位變化，就不會(huì)出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)狀態(tài)?缺點(diǎn)：只有在數(shù)據(jù)在相鄰數(shù)值間跳變的情況才有用，不適用大多數(shù)情況總線信號(hào)：慢時(shí)鐘域?快時(shí)鐘域如果目的時(shí)鐘要求滿足就可以在不到源域1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)。因此也就不需要回復(fù)握手信號(hào)。這樣可以最大程度地減少時(shí)延和或不必要的邏輯電路。結(jié)繩同步電路總線信號(hào)：快時(shí)鐘域?慢時(shí)鐘域握手脈沖同步器?升級(jí)版結(jié)繩法：帶握手確認(rèn)的脈沖同步器?數(shù)據(jù)同步交換順序?yàn)椋罕３謹(jǐn)?shù)據(jù)，發(fā)送請(qǐng)接受，發(fā)回已接受，釋放數(shù)據(jù)寄存器帶握手信號(hào)的結(jié)繩同步電路