深刻理解跨时钟域的三个主要问题和解决方案-电子发烧友网

如今，SoCs正变得越来越复杂，数据经常从一个时钟域传输到另一个时钟域。

上图信号A由C1时钟域触发，被C2时钟域采样。根据这两个时钟之间的关系，在将数据从源时钟传输到目标时钟时，可能会出现不同类型的问题，并且这些问题的解决方案也有所不同。

本文讨论了不同类型的跨时钟域，以及每种类型中可能遇到的问题及其解决方案。在接下来的所有部分中，都直接使用了上图所示的信号名称。例如，C1和C2分别表示源时钟和目标时钟。类似地，A和B分别被用作源触发器输出和目标触发器输出。此外，源和目标触发器被假定为正沿触发。

跨时钟域问题

本节描述了在出现跨时钟域时可能出现的三个主要问题，然后还描述了这些问题的解决方案。

A.亚稳态问题。

如果信号A上的翻转发生在非常接近时钟C2的边沿处，它可能会导致在目标触发器“FB”处的setup 或hold 违反。结果，输出信号B进行无限振荡。因此，输出是不稳定的，在C2的下一个时钟边缘到达之前也可能会稳定到某个稳定的值。这种现象被称为亚稳态，或者说触发器“FB”已经进入亚稳态。

从设计的角度来看，亚稳态又会产生以下后果：

1、如果不稳定的数据被输入到设计中的其他几个地方，它可能会导致大电流，在最坏的情况下甚至导致芯片烧坏。

2、不同的 fan-out可能会读取不同的信号值，并可能导致设计进入未知的功能状态，导致设计出现功能问题。

3、目标时钟域输出可能稳定到新值或返回到旧值。然而，传播延迟可能很高，会导致时序问题。

如下图，如果输入信号A在非常接近C2时钟的上升沿翻转，则目标触发器的输出可以是亚稳态的。因此，它可以不稳定，并可能最终稳定到信号B1和B2所描述的1或0。

可以通过在目标域中添加同步器来避免亚稳态问题。同步器允许振荡在足够的时间稳定下来，并确保在目标时钟域获得稳定的输出。一个常用的同步器是一个级联触发器，如下图所示。

该结构主要用于设计中的控制信号和单比特数据信号。多位的数据信号需要其他类型的同步方案，如MUX recirculation、握手和FIFO。

B.数据丢失

每当生成一个新的源数据时，由于亚稳态性，它可能不会在目标时钟的第一个周期中被目标域捕获。只要源信号上的每个翻转都在目标域中被捕获，数据就不会丢失。为了确保这一点，源数据应在一段最短的时间内保持稳定，以便满足对目标时钟的至少一个边沿的setup 和hold 时间的要求。

如果C1和C2的时钟边沿非常靠近，则在源数据A翻转之后的C2的第一个时钟边沿无法捕获它。该数据最终被时钟C2的第二个时钟边沿捕获，如下图所示。

但是，如果在数据A翻转和时钟C2的边沿之间有足够的时间，则在C2的第一个周期捕获数据。因此，源时钟域数据和目标时钟域数据之间可能不会一一对应。无论如何，一般情况下源数据上的每个翻转都应该在目标时钟域中被捕获。

假设源时钟C1的速度是目标时钟C2的两倍，并且这两个时钟之间没有相位差。进一步假设在时钟C1的正边沿生成的输入数据序列“A”为“00110011”。在时钟C2的正边沿捕获的数据B将为“0101”。在这里，由于信号A上的所有翻转都被B捕获了，所以数据不会丢失。

但是，如果输入序列为“00101111”，则目标域中的输出将为“0011”。这里输入序列中的第三个数据值“1”丢失。

为了防止数据丢失，数据应该在源时钟域中保持足够长的时间不变，以便在目标时钟域中正确捕获。换句话说，在源数据上的每次转换之后，至少有一个目标时钟边沿应该到达没有违反setup或hold的地方，以便在目标时钟域中正确地捕获源数据。

C. 数据一致性

如前一节所示，每当在源时钟域中生成新数据时，可能需要1个或多个目标时钟周期来捕获它。考虑这样一种情况，即多个信号从一个时钟域传输到另一个时钟域，并且每个信号使用多级触发器同步器分别进行同步。如果所有信号同时发生变化，并且源时钟和目标时钟边沿接近，那么一些信号可能在第一个时钟周期中在目标域中被捕获，而另一些信号可能通过亚稳态在第二个时钟周期中被捕获。这可能会导致目标端信号上的值组合无效。也就是说，在这种情况下，数据的一致性已经丢失了。

如果这些信号一起控制着设计的某些功能，那么这种无效的状态可能会导致功能错误。

例如：假设“00”和“11”是由时钟C1生成的信号X[0：1]的两个有效值。最初在X的两个位上都有一个从1->0的过渡。这两个转变在第一个周期本身都被时钟C2捕获。因此，信号Y变成了“00”。