ASIC/FPGA设计中的CDC问题分析

CDC(不同时钟之间传数据)问题是ASIC/FPGA设计中最头疼的问题。CDC本身又分为同步时钟域和异步时钟域。这里要注意，同步时钟域是指时钟频率和相位具有一定关系的时钟域，并非一定只有频率和相位相同的时钟才是同步时钟域。异步时钟域的两个时钟则没有任何关系。这里假设数据由clk1传向clk2。

单bit传输时，同步时钟域因为频率和相位关系都是已知的，可以推导的，所以不需要采用额外的硬件电路就可以解决CDC问题，只需要源数据在clk1端保持足够长时间即可。让其保持足够长时间有两个好处：即便出现亚稳态，也可以在两个clk2时钟周期后数据变得稳定下来，从而采到正确的结果。还可以防止低频采高频时，因为频率跟不上而导致数据丢失。

单bit传输时，异步时钟域的传输就必须使用额外的电路模块(同步器)来保证数据正确的传输。最基本的同步器是双锁存结构的电平同步器，其余的同步器都是由其衍生而来。该同步器的基本原理，也是让数据至少在clk2的时钟下保存两个周期，消除亚稳态。当然同步器能解决异步时钟域的同步问题，自然也可以拿来解决同步时钟域的问题，毕竟同步时钟域更简单一些。

实际的电路设计中，才不会管那么多细节，不管你是同步时钟域还是异步时钟域，只要是不同的时钟之间传数据，就加上同步器的结构，这当然是一种偷懒的解决办法。脉冲同步器就是这么一种万能的结构，对于单bit跨时钟域传输而言，使用脉冲同步器就够了，不需要区分时钟有没有关系，也不需要区分是高频采低频还是低频采高频，毕竟也很少有人能掌握这么全的细节。

对于多bit传输，不能采用单bit传输的方法。原因在于，单bit传输时，不能确定该数据到底经过1个clk2时钟周期之后有效还是两个clk2时钟周期之后才有效。所以对多个bit各自采用单bit的同步机制，会导致输出一些错误的中间状态。对于多bit传输，只能使用握手信号或者异步fifo。

总结如下：

1、有关系的时钟之间传单bit数据，理论上只需要源数据保持足够长的时间(clk2的两个周期)即可;

2、无关系的时钟之间传单bit数据，必须要使用同步器;

3、不管有无关系的时钟进行单bit传输，脉冲同步器都可以解决这个问题;

4、多bit传输只能使用握手机制或者异步fifo;

5、低频采高频，为防止数据不丢失，应当让源数据变慢，多保持一些周期;高频采低频则不需要，但是高频采低频得到的结果可能带有很多冗余。

原文标题：FPGA学习-CDC问题的解决方案总结--异步时钟

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审核编辑：汤梓红