跨时钟域处理方式

引言

  类似于电源域（电源规划与时钟规划亦是对应的），假如设计中所有的 D 触发器都使用一个全局网络 GCLK ，比如 FPGA 的主时钟输入，那么我们说这个设计只有一个时钟域。假如设计有两个输入时钟，分别给不同的接口使用，那么我们说这个设计中有两个时钟域，不同的时钟域，有着不同的时钟频率和时钟相位。

  在实际的 FPGA 系统设计中，经常有多个不同的时钟源的参与，比如 FPGA 内部的 Clock Wizard 时钟分频 IP 核，连接到许多不同的频率输入的 IP 模块，这个在视频显示系统中是很常见的，毕竟，不同的视频显示格式需要不同的像素频率，也就需要不同的输入时钟。例如 640X480@60Hz 需要 25.175MHz 时钟，而 1280X720@60Hz 需要 74.2MHz 时钟等等。

一、跨时钟域处理方式

1、对于单比特数据的跨时钟域： 打两拍 （即定义两级寄存器对输入数据进行延拍，这个在解决 “亚稳态” 方式的随笔中已经提及）。

2、对于多比特数据的跨时钟域： 异步 FIFO（异步双口 RAM） 。例如前面一个模块的数据发送速率为 100MHz，而后面一个模块的数据接收速率为 50MHz，这样就是数据速率传输的不同步，那么，我们可以在中间插入一个异步 FIFO，一端接收前面的 100MHz 速率的数据进行缓存，另一端发送 50MHz 速率的数据，从而达到数据的同步接收与发送。当然，这里的 FIFO 的深度就需要自己计算了。

3、 握手协议 。由于两个异步时钟的频率关系不确定，所以，也就无法保证能否满足触发器之间的建立时间和保持时间，如果违反了建立时间或者保持时间的要求，那么接收域将会采样到处于亚稳态的数据，那么系统就可能崩溃了。

  因此，我们可以使如下用握手协议方式处理跨时钟域数据传输，只需要对双方的握手信号（req 和 ack）分别使用脉冲检测方法进行同步。如下所示，假设 req、ack、data 总线在初始化时都处于无效状态，发送域先把数据放入总线，随后发送有效的 req 信号给接收域，接收域在检测到有效的 req 信号后锁存数据总线，然后回送一个有效的 ack 信号表示读取完成应答，发送域在检测到有效 ack 信号后撤销当前的 req 信号，接收域在检测到 req 撤销后也相应撤销 ack 信号，此时完成一次正常握手通信。

基于握手协议的跨时钟域处理方式

  此后，发送域可以继续开始下一次握手通信，依次循环。该握手协议方式能够保证接收到的数据稳定可靠，有效的避免了亚稳态的出现，但是，控制信号握手检测会消耗通信双方较多的时间和资源。这样的通信协议类似于 AXI4-Stream 流协议，当然，前者是一次握手发送一次数据，后者是一次握手可以连续发送数据，AXI4-Stream 流协议的主要通信信号为 tvalid 和 tready，这个协议在视频流传输中非常重要且实用，大家可以去学一学。