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跨时钟问题(Clock Domain Crossing)

亚稳态

产生原因：

​ 跨时钟域数据不满足目标时钟的建立保持时间

解决方案：

​ 两级或多级同步器隔离亚稳态

• 亚稳态无法消除
• 亚稳态只能被隔离，降低发生概率
• 两级同步器之间不要有组合逻辑

如何评估其危害——MTBF

MTBF：故障前的平均时间

• MTBF定量评估亚稳态对可靠性的影响
• MTBF is a measure of how often, on the average, a metastable event lasts a time tr or longer.

下式适用于一级同步寄存

$$ MTBF=\frac{e^{t_r/t_{sw}}}{Wf_cf_d} $$

• tr——the resolving time allowed for metastable events
• tsw——device specific
• W——device specific
• fc——system clock frequency
• fd——average asynchronous data frequency

$$ MTBF=\frac{e^{t_r/\tau}}{T_0f\alpha} $$

$$ MTBF=\frac{1}{f_{clk} * f_{data} * x} $$

随着同步时钟频率和数据变化频率的提升，MTBF的值越小，电路出现亚稳态的概率就越高。

数据保持（快时钟域到慢时钟域）

产生原因：

​ 数据从快时钟域到慢时钟域，数据保持的时间较短，无法被慢时钟域采样

解决方案

• 数据展宽
• 脉冲同步器

数据展宽

脉冲同步器（也适用于低频时钟域到高频时钟域）

1. 时钟域A中采样a_pulse后保持
2. 电平信号送到时钟域B中同步并生成脉冲信号b_pulse
3. 在时钟域A中生成的电平信号需要复位，在时钟域B中生成的复位信号，b_cycle_done产生
4. b_cycle_done送到时钟域A中同步，产生复位信号

特点：

• 异步复位
• 响应信号，具有握手机制
• 测试模式信号

数据冗余（慢时钟域到快时钟域）

产生原因：

​ 数据从慢时钟域到快时钟域，数据在目标时钟域被多次采样

解决方案：

• 脉冲同步器
• 边沿检测

边沿检测

数据相关性丢失

产生原因

​ 延迟与时钟不确定性令目标时钟域采样无效数据

解决方案

• 格雷码编码
• 握手机制
• 异步FIFO
• 门控机制

多位控制信号解决方案

数据相关，按顺序依次变化，地址指针或状态机的状态矢量

解决方案：

格雷码编码

相邻数据间转换时，只有一位产生变化，地址范或状态数量为2^n个

二进制编码

D0	0	0	0	0	1	1	1	1
D1	0	0	1	1	0	0	1	1
D2	0	1	0	1	0	1	0	1

格雷码编码

D0	0	0	0	0	1	1	1	1
D1	0	0	1	1	1	1	0	0
D2	0	1	1	0	0	1	1	0

数据信号解决方案

• 异步FIFO
• 握手协议
• 使能信号控制

异步FIFO

• 读写指针用格雷码编码后同步
• “空信号”在读时钟域产生
• “满信号”在写时钟域产生

握手协议

• 'req'信号同步至Clk_B
• 'ack'信号同步至Clk_A
• 数据保持直到握手完成

使能信号控制

复位信号的同步

• 同步时序电路保证
• 复位电平的时长

无毛刺时钟切换（Glitch Free Clock MUX）

1. 会产生毛刺的时钟切换

   

   

2. 无毛刺的时钟切换

   

   

详细参考这篇博客：Glitch Free时钟切换技术

同步错误示例

1. 存在信号未同步

   

2. 两个或多个时钟源的数据在同步之前相遇