芯片跨时钟域设计案例简析(一）

（一）单bit信号同步器

最经典的2DFF 1-bit同步器如下，下图结构通常用于单bit控制信号的异步处理：

绝大数情况下，当第一个寄存器R1进入亚稳态后，在第二级寄存器R2采样R1的输出前，R1的输出已经能稳定在0或1。

注意：

cdc_s信号必须做到glitch free，也就是我们通常说的寄存输出；

int_s信号链路禁止组合逻辑，其本质也是杜绝glitch的出现。

偏执狂的IC designer肯定会问，第一级寄存器R1的行为到底是啥样子的？由于cdc_s信号是Tx clock Domain，而R1寄存器的采用时钟是Rx clock Domain，当Rx clock采样时，若cdc_s正好跳变(不满足setup/hold)，那么就会出现如下两种情况，而前仿真是无法仿真出下图2种行为的(具体见芯片设计之CDC异步电路(一)一文)。

（二）DMUX同步器 两级寄存器（先进工艺要求三级）的同步器通常用于控制信号的异步处理，但是data bus的异步处理呢？我们可以采用DMUX结构。

注意：

tx_sel、rx_sel有效时，cdc_d数据总线必须保持稳定；

（三）握手处理

源时钟域先将数据发送到总线上，并给出一个valid信号，而目标时钟域同步valid信号后，若valid信号为高电平则采样总线数据，并返回一个ready信号给源时钟域。源时钟域再次同步该ready信号，若ready信号为高，则代表一次握手成功，数据传输完毕，开始进行下一次数据传输。

采用握手机制可以保证异步multi-bit数据传输不出现错误，但由于需要等待握手的完成再传输数据，因此传输效率较低。

（四）异步FIFO

老生常谈的异步FIFO，其本质是采用格雷码，在地址连续的情况下，其对应格雷码每个周期只变化1bit，因此可以直接异步采样。

注意：

FIFO的overflow、underflow问题；

tx_addr是连续的，即地址hamming distance是1；

FIFO深度须2^n；

经典的FIFO结构如下：

核心电路：是将FIFO读写地址指针的二进制码转成格雷码，方便同步器打两拍传递到对向时钟域去做空满判断。

空满判断：为了区别空满，我们增加1bit的地址(MSB)，我习惯直接用Gray码比较读写指针判定空满：

当Gray码读写指针完全相等时，FIFO空；

当Gray码读写指针最高2bit相反，其余bit相同时，FIFO满； 通常二进制码比较空满是：最高bit不同，其余bit相同，则FIFO满，而格雷码则不同哈。

审核编辑：刘清