從處理單bit跨時鐘域信號同步問題來入手

從處理單bit跨時鐘域信號同步問題來入手在數字電路中，跨時鐘域處理是個很龐大的問題，因此將會作為一個專題來陸續(xù)分享。今天先來從處理單bit跨時鐘域信號同步問題來入手。01握手(handshake)是用來處理單bit信號的跨時鐘域傳遞的一個有效的方法。在從快時鐘向慢時鐘傳遞時，由于輸入信號變化較快，輸出一側可能跟不上輸入的變化，從而導致“漏采“現象。圖1“漏采”現象演示在圖1中，由于兩個時鐘的速度差距，來自快時鐘域的脈沖信號還未到達慢時鐘的采樣邊沿便消失了，導致了“漏采”。在這種情況下，如何讓脈沖信號準確無誤地傳遞過去呢？一個方法是將脈沖信號展寬，待輸出一側檢測到信號并將其解析為脈沖信號后，再向輸入一側發(fā)送應答信號，表明接收到信號并且傳輸完成。這個過程被稱之為“握手”。02先來看一個最基本的握手協(xié)議，下邊是它的電路圖。圖2“握手”電路演示在上圖中src_clk和dst_clk分別為輸入和輸出側的時鐘，src_pulse為輸入的脈沖信號，dst_pulse為同步到輸出端的脈沖信號。可以看到，脈沖信號被同步到輸出端后，輸出端便立即向輸入端發(fā)送了應答信號，表示收到信號。而當輸出端的應答信號同步到輸入端后，輸入端才可以同步下一個信號。以下為這個電路的verilog描述。moduleSync_Pulse(inputwiresrc_clk,inputwiredst_clk,inputwirerst_n,inputwiresrc_pulse,outputwiredst_pulse);regreq_state_dly1,req_state_dly2,dst_req_state,src_sync_req;regack_state_dly1,src_sync_ack;wiredst_sync_ack;always@(posedgesrc_clkornegedgerst_n)beginif(rst_n==1'b0)src_sync_req<=1'b0;elseif(src_pulse)src_sync_req<=1'b1;elseif(src_sync_ack)src_sync_req<=1'b0;else;endalways@(posedgedst_clkornegedgerst_n)beginif(rst_n==1'b0)beginreq_state_dly1<=1'b0;req_state_dly2<=1'b0;dst_req_state<=1'b0;endelsebeginreq_state_dly1<=src_sync_req;req_state_dly2<=req_state_dly1;dst_req_state<=req_state_dly2;endendassigndst_sync_ack=req_state_dly2;always@(posedgesrc_clkornegedgerst_n)beginif(rst_n==1'b0)beginack_state_dly1<=1'b0;src_sync_ack<=1'b0;endelsebeginack_state_dly1<=dst_sync_ack;src_sync_ack<=ack_state_dly1;endendassigndst_pulse=dst_req_state&(~req_state_dly2);endmodule03上述電路雖然可以完整的同步信號，但是若在同步一個脈沖的過程中，輸入端又接收到一個輸入進來的脈沖，那么此時剛剛輸入進來的脈沖將會同步失敗。更糟糕的是該電路沒有同步失敗的反饋，導致使用者誤以為正確同步了信號。鑒于此，將上述電路進行改進，當同步失敗后將輸出src_sync_fail信號來指示同步失敗。以下為該電路的verilog描述（此代碼來源于網絡）：modulehandshake_pulse_sync(src_clk,//sourceclocksrc_rst_n,//sourceclockreset(0:reset)src_pulse,//sourceclockpulseinsrc_sync_fail,//sourceclocksyncstate:1clockpulseifsyncfail.dst_clk,//destinationclockdst_rst_n,//destinationclockreset(0:reset)dst_pulse//destinationpulseout);//PARADECLARATION//INPUTDECLARATIONinputsrc_clk;//sourceclockinputsrc_rst_n;//sourceclockreset(0:reset)inputsrc_pulse;//sourceclockpulseininputdst_clk;//destinationclockinputdst_rst_n;//destinationclockreset(0:reset)//OUTPUTDECLARATIONoutputsrc_sync_fail;//sourceclocksyncstate:1clockpulseifsyncfail.outputdst_pulse;//destinationpulseout//INTERDECLARATIONwiredst_pulse;wiresrc_sync_idle;regsrc_sync_fail;regsrc_sync_req;regsrc_sync_ack;regack_state_dly1;regack_state_dly2;regreq_state_dly1;regreq_state_dly2;regdst_req_state;regdst_sync_ack;//--========================MODULESOURCECODE==========================--//--=========================================--//DSTClock://1.generatesrc_sync_fail;//2.generatesyncreq//3.syncdst_sync_ack//--=========================================--assignsrc_sync_idle=~(src_sync_req|src_sync_ack);//reportanerrorifsrc_pulsewhensyncbusy;always@(posedgesrc_clkornegedgesrc_rst_n)beginif(src_rst_n==1'b0)src_sync_fail<=1'b0;elseif(src_pulse&(~src_sync_idle))src_sync_fail<=1'b1;elsesrc_sync_fail<=1'b0;end//setsyncreqifsrc_pulsewhensyncidle;always@(posedgesrc_clkornegedgesrc_rst_n)beginif(src_rst_n==1'b0)src_sync_req<=1'b0;elseif(src_pulse&src_sync_idle)src_sync_req<=1'b1;elseif(src_sync_ack)src_sync_req<=1'b0;endalways@(posedgesrc_clkornegedgesrc_rst_n)beginif(src_rst_n==1'b0)beginack_state_dly1<=1'b0;ack_state_dly2<=1'b0;src_sync_ack<=1'b0;endelsebeginack_state_dly1<=dst_sync_ack;ack_state_dly2<=ack_state_dly1;src_sync_ack<=ack_state_dly2;endend//--=========================================--//DSTClock://1.syncsrcsyncreq//2.generatedstpulse//3.generatesyncack//--=========================================--always@(posedgedst_clkornegedgedst_rst_n)beginif(dst_rst_n==1'b0)beginreq_state_dly1<=1'b0;req_state_dly2<=1'b0;dst_req_state<=1'b0;endelsebeginreq_state_dly1<=src_sync_req;req_state_dly2<=req_state_dly1;dst_req_state