一文解析跨时钟域传输

一、单比特CDC传输1.1 慢到快

快时钟域相比慢时钟域采样速度更快，也就是说从慢时钟域来到快时钟域的信号一定可以被采集到。既然快时钟一定可以采集到慢时钟分发的数据，那么考虑的问题就只剩下如何保证采样到的信号质量！最常用的同步方法是双级触发器缓存法，俗称延迟打拍法。信号从一个时钟域进入另一个时钟域之前，将该信号用两级触发器连续缓存两次，可有效降低因为时序不满足而导致的亚稳态问题。

具体如下图所示：来自慢时钟clk1的信号在clk2被多次采样（信号在clk1持续一个时钟周期，在clk2持续三个时钟周期），如果只需要在clk2持续一个时钟周期，可以采用边沿检测即可得到signal4；

1.2 快到慢

慢时钟域相比快时钟域采样速度更慢，也就是说从快时钟域来到慢时钟域的信号极有可能被漏采。一般要求在接收时钟域中采样信号要保持三个时钟边沿的时间（也就是1.5倍的采样时钟周期）才会避免出现漏采。也就是快到慢跨时钟域的核心是如何延长信号长度！

对于电平信号而言（一般电平信号持续时间足够长），信号长度可以得到保证，所以正常采用两级同步器采样即可。

对于脉冲信号而言（一般脉冲信号持续时间很短），长度难以得到保证，需要对信号进行延长。目前，常用延长方法有两种：

一是开环（无反馈）延长，在知道两个时钟频率比的情况下，可以采用“快时钟域脉宽扩展+慢时钟域延迟打拍”的方法进行同步。

二是闭环（有反馈）延长，信号延长的恢复位置由反馈信号决定，此方法实质是通过相互握手的方式对窄脉冲信号进行脉宽扩展，这也是我们常说的“握手协议”。

然而，除了“握手协议”以外其他两种方法都是有缺陷、有限制的，具体如下图所示：

可以看到无论是电平还是脉冲信号使用起来都是有限制的，因为它们采用的都是无反馈的开环设计（详细可查看博文跨时钟传输——单比特）。采用闭环的反馈设计可以避免这些问题，具体流程如下：

快时钟域对脉冲信号进行检测，检测为高电平时输出高电平信号req。

慢时钟域对快时钟域的信号req进行延迟打拍采样。因为此时的脉冲信号被快时钟域保持拉高状态，延迟打拍肯定会采集到该信号。

慢时钟域确认采样得到高电平信号req_r2后，拉高反馈信号ack再反馈给快时钟域。

快时钟域对反馈信号ack进行延迟打拍采样得到ack_r0。如果检测到反馈信号为高电平，证明慢时钟域已经接收到有效的高电平信号，信号恢复原来状态。

1.3 单比特“握手协议”verilog代码

verilog代码

代码语言：c

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//单比特快到慢“握手协议”

module cdc_sbit_handshake(

input aclk,//快时钟

input arst_n,//快时钟域复位信号

input signal_a,//快时钟域信号

input bclk,//慢时钟

input brst_n,//慢时钟域复位信号

output signal_b//慢时钟域输出信号

);

//慢时钟域信号展宽直至反馈信号回来再恢复

reg req;//寄存慢时钟域展宽信号

reg ack_r0;//反馈信号

always@(posedge aclk or negedge arst_n) begin

if(!arst_n) begin

req <= 1'b0;

end

else if(signal_a) begin

req <= 1'b1;//信号展宽

end

else if(ack_r0) begin

req <= 1'b0; //反馈信号到来时恢复

end

end

//展宽信号跨时钟同步至慢时钟域

reg req_r0;

reg req_r1;

reg req_r2;

always@(posedge bclk or negedge brst_n) begin

if(!brst_n)begin

{req_r2,req_r1,req_r0} <= 3'b0;

end

else begin

{req_r2,req_r1,req_r0} <=  {req_r1,req_r0,req};

end

end

//生成反馈信号并同步至快时钟域

reg ack;

always@(posedge aclk or negedge arst_n) begin

if(!arst_n) begin

{ack_r0,ack} <= 2'b0;

end

else begin

{ack_r0,ack} <=  {ack,req_r1};

end

end

//信号上升沿检测，让输出持续一个慢时钟周期

assign signal_b = ~req_r2 & req_r1;

endmodule

Testbench

代码语言：c

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`timescale 1ns/1ps//仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps

module cdc_sbit_handshake_tb;

//信号申明

reg aclk;

reg arst_n;

reg signal_a;

regbclk;

regbrst_n;

wiresignal_b;

//例化

cdc_sbit_handshake u_cdc_sbit_handshake(

.aclk(aclk),

.bclk(bclk),

.arst_n(arst_n),

.brst_n(brst_n),

.signal_a(signal_a),

.signal_b(signal_b)

);

//快时钟域慢时钟生成

always #5 aclk =~ aclk;

always #15 bclk =~ bclk;

//初始信号赋值与激励

initial begin

signal_a = 0;

aclk = 0;

bclk = 0;

arst_n = 1;

brst_n = 1;

#15;

arst_n = 0;

brst_n = 0;

#15;

arst_n = 1;

brst_n = 1;

signal_a = 1;

#10;

signal_a = 0;

end

endmodule

仿真结果

二、多比特CDC传输

多比特为能不能使用二级同步器传输？使用格雷码也不行吗？什么情况下可以使用同步器加格雷码跨时钟传输？

先给结论：多比特信号不能用二级同步器跨时钟传输，哪怕使用格雷码大部分情况也不行，只有在格雷码自增或自减顺序变化才可以跨时钟传输。对于多比特数据，在进行传输时候会因为时序问题导致所有寄存器不会同时翻转（不是不翻转，是不同时翻转！），所以容易在跨时钟传输的时候出现中间态。使用格雷码可以避免这种现象，但是当格雷码不是按计数顺序变化（非顺序变化相当于每次变化不止一位），这同样是不允许的，因为格雷码每次只有一位发生变化的前提是，数据是递增或递减的。比如异步FIFO中格雷码可以通过二级同步器进行CDC传输。

2.1 慢到快：MUX同步器法

慢到快这种情况在快时钟接收端是一定能够采样得到的，但是根据上文可知，多比特不适合采用二级同步器直接传输采样，因为在传输过程中有多位同时变化，那么有什么解决办法呢？解决办法是在传输过程中不变化！所以必须在写入使能信号有效时传输！

传输非同步数据到接收时钟域时配上一个同步的控制信号，数据和控制信号被同时发送到接收时钟域，同时控制信号在接收时钟域使用两级寄存器同步到接收时钟域，使用此同步后的控制信号来加载数据，这样数据就可以在目的寄存器被安全加载。

具体代码可参考链接：Verilog 跨时钟域传输：慢到快

verilog代码

代码语言：c

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//同步模块工作时钟为 100MHz 的模块

//异步数据对来自工作时钟为 20MHz 的模块

module delay_sample(

input rstn,

input clk1,

input [31:0] din,

input din_en,

input clk2,

output [31:0] dout,

output dout_en);

//sync din_en

reg [2:0] din_en_r ;

always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin

if (!rstn) din_en_r <= 3'b0 ;

else din_en_r <= {din_en_r[1:0], din_en} ;

end

wire din_en_pos = din_en_r[1] && !din_en_r[2] ;

//sync data

reg [31:0] dout_r ;

reg dout_en_r ;

always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin

if (!rstn)

dout_r <= 'b0 ;

else if (din_en_pos)

dout_r <= din ;

end

//dout_en delay

always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin

if (!rstn) dout_en_r <= 1'b0 ;

else dout_en_r <= din_en_pos ;

end

assign dout = dout_r ;

assign dout_en = dout_en_r ;

endmodule

时序结构如下图所示：

但如果慢时钟域没有数据使能信号 din_en, 或数据使能信号一直有效，此时在快时钟域对数据使能信号进行上升沿检测的方法将会失效。因为数据使能信号一直有效，除了第一个数据，快时钟域将无法检测到后继数据的传输时刻。

解决方法就是，在快时钟域对慢时钟信号的边沿进行检测。

2.2 快到慢：握手协议

快到慢必然会伴随着漏采的风险，根据单比特CDC传输的方法可以知道避免的方法就是延长信号的长度，所以需要带写入的使能信号对信号进行延长。此处任采用握手的方式，完全握手具体原理如下图所示：

优点：可以解决快时钟域向慢时钟域过渡的问题，且其适用的范围很广。

缺点：实现较为复杂，特别是其效率不高，在对设计性能要求较高的场合应该慎用。

这一部分具体可以查看链接：FPGA学习笔记——跨时钟域（CDC）设计之多bit信号同步

verilog代码

代码语言：c

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module data_driver(

input clk_a, //发送端时钟信号

input rst_n, //复位信号，低电平有效

input data_ack, //数据接收确人信号

input clk_b, //接收端时钟信号

input rst_n, //复位信号，低电平有效

input [3:0] data, //接收数据

input data_req, //请求接收信号

output reg data_ack//数据接收确人信号

);

/********************** 发送端 **********************/

reg [3:0] data;//发送数据

reg data_req ; //请求接收信号

reg [2:0] cnt_reg;

reg data_ack_sync1;

reg data_ack_sync2;

//计数

always@(posedge clk_a or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

cnt_reg <= 3'd0;

else if(data_ack_sync1 && !data_ack_sync2 == 1'b1)

cnt_reg <= 3'd0;

else if(data_req == 1'b1)

cnt_reg <= cnt_reg;

else

cnt_reg <= cnt_reg + 1'b1;

end

//data_ack两级同步

always@(posedge clk_a or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

data_ack_sync1 <= 1'b0;

data_ack_sync2 <= 1'b0;

end

else

begin

data_ack_sync1 <= data_ack;

data_ack_sync2 <= data_ack_sync1;

end

end

//请求接收信号

always@(posedge clk_a or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

data_req <= 1'b0;

else if(cnt_reg == 3'd4)

data_req <= 1'b1;

else if(data_ack_sync2 == 1'b1)

data_req <= 1'b0;

else

data_req <= data_req;

end

//发送数据

always@(posedge clk_a or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

data <= 4'd0;

else if(data == 4'd7 && data_ack_sync2 == 1'b1 && data_req == 1'b1 )

data <= 4'd0;

else

begin

if(data_ack_sync2 == 1'b1 && data_req == 1'b1 )

data <= data + 1'b1;

else

data <= data;

end

end

/********************** 接收端 **********************/

reg data_req_sync1;

reg data_req_sync2;

//data_req两级同步

always@(posedge clk_b or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

data_req_sync1 <= 1'b0;

data_req_sync2 <= 1'b0;

end

else

begin

data_req_sync1 <= data_req;

data_req_sync2 <= data_req_sync1;

end

end

//数据接收确人信号

always@(posedge clk_b or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

data_ack <= 1'b0;

else if(data_req_sync2 == 1'b1)

data_ack <= 1'b1;

else

data_ack <= 1'b0;

end

endmodule2.3 异步FIFO（慢到快和快到慢通杀）

关于异步FIFO具体可以看看这篇：异步FIFO设计原理与设计方法以及重要问题汇总（包含verilog代码|Testbench|仿真结果），对异步FIFO介绍很详细并且总结了若干重要问题。

FIFO 是一种“先进先出队列”，数据从一头写入，从另一头读出，读出顺序和写入顺序一模一样。因为队列空间有限，因此一般把队列设计为环形。对于队列来说，最重要的事情是不能在队空的时候读数、不能在队满的时候写数。一般通过比较读写指针来获得“队空”和“队满”信息。异步FIFO常常用在高速数据跨时钟域的场景上。

异步FIFO主要由五部分组成：RAM、写控制端、读控制端、两个时钟同步端

双端口RAM：此处为伪双端口RAM进行数据存储与读出，有两组数据线、地址线、时钟线。

写控制端：写指针与满信号产生器，用于判断是否可以写入数据，写操作时，写使能有效且FIFO未满。

读控制端：读指针与空信号产生器，用于判断是否可以读取数据，读操作时，读使能有效且FIFO未空。

两个时钟同步端：读指针同步到写指针域进行“写满”判断，写指针同步到读指针域进行“读空”判断。

verilog代码

代码语言：c

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//深度为8，数据位宽为8的异步FIFO

module async_fifo #(

parameter DATA_DEPTH = 8,//深度为8

parameter DATA_WIDTH = 8,//数据位宽为8

parameter PTR_WIDTH = 3//读写指针位宽为3

)(

input [DATA_WIDTH - 1 : 0] wr_data, //写数据

input wr_clk, //写时钟

input wr_rst_n,//写时钟复位

input wr_en,//写使能

input rd_clk,//读数据

input rd_rst_n,//读时钟复位

input rd_en,//读使能

output reg fifo_full,//“满”标志位

output reg fifo_empty,//“空”标志位

output reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] rd_data //写时钟

);

/*-----------------------------------------------------------------

-----------------------------伪双口RAM模块--------------------------

------------------------------------------------------------------*/

//定义一个宽度为8，深度为DEPTH的8的RAM_FIFO

reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] ram_fifo [DATA_DEPTH - 1 : 0];

//写指针计数

reg [PTR_WIDTH : 0] wr_ptr; //信息位+地址位所以指针位宽为4

always@ (posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin

if(!wr_rst_n) begin

wr_ptr <= 0;

end

else if(wr_en && !fifo_full) begin

wr_ptr <= wr_ptr + 1;

end

else begin

wr_ptr <= wr_ptr;

end

end

//RAM写入数据

wire [PTR_WIDTH -1 : 0] wr_addr;

assign wr_addr = wr_ptr[PTR_WIDTH -1 : 0];//RAM写数据只需要地址位不需要信息位，所以寻址地址位宽为3

always@ (posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin

if(!wr_rst_n) begin

ram_fifo[wr_addr] <= 0;//复位

end

else if(wr_en && !fifo_full) begin

ram_fifo[wr_addr] <= wr_data;//数据写入

end

else begin

ram_fifo[wr_addr] <= ram_fifo[wr_addr];//保持不变

end

end

//读指针计数

reg [PTR_WIDTH : 0] rd_ptr;

always@ (posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin

if(!rd_rst_n) begin

rd_ptr <= 0;

end

else if(rd_en && !fifo_empty) begin

rd_ptr <= rd_ptr + 1;

end

else begin

rd_ptr <= rd_ptr;

end

end

//RAM读出数据

wire [PTR_WIDTH -1 : 0] rd_addr;

assign rd_addr = rd_ptr[PTR_WIDTH -1 : 0];//RAM读数据只需要地址位不需要信息位，所以寻址地址位宽为3

always@ (posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin

if(!rd_rst_n) begin

rd_data <= 0;//复位

end

else if(rd_en && !fifo_empty) begin

rd_data <= ram_fifo[rd_addr];//读数据

end

else begin

rd_data <= rd_data;//保持不变

end

end

/*--------------------------------------------------------------------

------------------------读写指针（格雷码）转换与跨时钟域同步模块------

---------------------------------------------------------------------------------------*/

//读写指针转换成格雷码

wire [PTR_WIDTH : 0] wr_ptr_gray;

wire [PTR_WIDTH : 0] rd_ptr_gray;

assign wr_ptr_gray = wr_ptr ^ (wr_ptr >> 1);

assign rd_ptr_gray = rd_ptr ^ (rd_ptr >> 1);

//写指针同步到读时钟域

//打两拍

reg [PTR_WIDTH : 0] wr_ptr_gray_r1;

reg [PTR_WIDTH : 0] wr_ptr_gray_r2;

always@ (posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin

if(!rd_rst_n) begin

wr_ptr_gray_r1 <= 0;

wr_ptr_gray_r2 <= 0;

end

else begin

wr_ptr_gray_r1 <= wr_ptr_gray;

wr_ptr_gray_r2 <= wr_ptr_gray_r1;

end

end

//读指针同步到写时钟域

//打两拍

reg [PTR_WIDTH : 0] rd_ptr_gray_r1;

reg [PTR_WIDTH : 0] rd_ptr_gray_r2;

always@ (posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin

if(!wr_rst_n) begin

rd_ptr_gray_r1 <= 0;

rd_ptr_gray_r2 <= 0;

end

else begin

rd_ptr_gray_r1 <= rd_ptr_gray;

rd_ptr_gray_r2 <= rd_ptr_gray_r1;

end

end

/*--------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------空满信号判断模块-----------------------------------

---------------------------------------------------------------------------------------*/

//组合逻辑判断写满

always@ (*) begin

if(!wr_rst_n) begin

fifo_full <= 0;

end

else if( wr_ptr_gray == { ~rd_ptr_gray_r2[PTR_WIDTH : PTR_WIDTH - 1],

rd_ptr_gray_r2[PTR_WIDTH - 2 : 0] }) begin

fifo_full <= 1;

end

else begin

fifo_full <= 0;

end

end

//组合逻辑判断读空

always@ (*) begin

if(!rd_rst_n) begin

fifo_empty <= 0;

end

else if(rd_ptr_gray == wr_ptr_gray_r2) begin

fifo_empty <= 1;

end

else begin

fifo_empty <= 0;

end

end

endmodule

Testbench

代码语言：c

复制

`timescale 1ns/1ps;//仿真时间单位1ns 仿真时间精度1ps

module async_fifo_tb #(

parameter DATA_DEPTH = 8,

parameter DATA_WIDTH = 8,

parameter PTR_WIDTH = 3

);

//信号申明

reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] wr_data;

reg wr_clk;

reg wr_rst_n;

reg wr_en;

reg rd_clk;

reg rd_rst_n;

reg rd_en;

wire fifo_full;

wire fifo_empty;

wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] rd_data;

//例化

async_fifo u_async_fifo (

.wr_clk(wr_clk),

.rd_clk(rd_clk),

.wr_rst_n(wr_rst_n),

.rd_rst_n(rd_rst_n),

.wr_en(wr_en),

.rd_en(rd_en),

.wr_data(wr_data),

.rd_data(rd_data),

.fifo_empty(fifo_empty),

.fifo_full(fifo_full)

);

//读写时钟信号生成

always #10 rd_clk = ~rd_clk;

always #5 wr_clk = ~wr_clk;

//信号初始化和赋值

initial begin

wr_clk = 0;

wr_rst_n = 1;

wr_en = 0;

rd_clk = 0;

rd_rst_n = 1;

rd_en = 0;

#10;

wr_rst_n = 0;

rd_rst_n = 0;

#10;

wr_rst_n = 1;

rd_rst_n = 1;

//only write

wr_en = 1;

rd_en = 0;

repeat(10) begin

@(negedge wr_clk) begin

wr_data = {$random}%30;

end

end

//only read

wr_en = 0;

rd_en = 1;

repeat(10) begin

@(negedge rd_clk);

end

rd_en =0;

//read and write

wr_en = 0;

rd_en = 0;

#80;

wr_en = 1;

rd_en = 1;

repeat(20) begin

@(negedge wr_clk) begin

wr_data = {$random}%30;

end

end

end

endmodule

仿真结果

三、CDC的几个重要问题（重要！！！）

多比特为能不能使用二级同步器传输？使用格雷码也不行吗？什么情况下可以使用同步器加格雷码跨时钟传输？

先给结论：多比特信号不能用二级同步器跨时钟传输，哪怕使用格雷码大部分情况也不行，只有在格雷码自增或自减顺序变化才可以跨时钟传输。对于多比特数据，在进行传输时候会因为时序问题导致所有寄存器不会同时翻转（不是不翻转，是不同时翻转！），所以容易在跨时钟传输的时候出现中间态。使用格雷码可以避免这种现象，但是当格雷码不是按计数顺序变化（非顺序变化相当于每次变化不止一位），这同样是不允许的，因为格雷码每次只有一位发生变化的前提是，数据是递增或递减的。比如异步FIFO中格雷码可以通过二级同步器进行CDC传输。

慢到快使用打两拍的前提是什么？先给结论：两级同步器与慢时钟域之间无组合逻辑，因为组合逻辑里存在竞争冒险，从而导致毛刺产生。我们无法预先知道CLKB 的上升沿何时会到来，CLKB 采样到的信号就无法预知。

仅仅通过简单的同步器同步有可能是不安全的，那么如何传递两个同时需要的信号(b_load和b_en)？

将b_load和b_en信号在b_clk时钟域中合并成一个信号b_lden，然后同步至a_clk中。若果不能合并，比如译码信息则加入一个控制信号，等两个信号稳定了再采样！

四、总结（重要）

采样中“快到慢”与“慢到快”在考虑问题时有什么区别？慢到快：只需要考虑亚稳态问题.
快到慢：除亚稳态问题外，还需考虑慢时钟的采样速率问题。因为根据采样定理，采样频率低于信号最高频率2倍的时候，是无法完整采样的。

CDC传输方法总结：单比特：

慢到快只考虑亚稳态问题，采用延迟打拍法；

快到慢还需要考虑慢时钟采样速度，但是只要延长信号长度即可。常用方法为电平同步器、脉冲同步器、握手协议。其中，握手协议限制较为灵活，但握手信号需要在两个时钟域来回传递导致延时很大，所以握手协议是以牺牲效率为代价保证信号传递质量。

多比特：

慢到快：只考虑亚稳态问题，采用延迟打拍法。为需要传输的数据配上一个同步的控制使能信号，数据和控制信号被同时发送到接收时钟域，使用此同步后的控制信号来加载数据（控制信号有效表示数据稳定不变化从而避免传输出错），这样数据就可以在目的寄存器被安全加载。这种方法我们称为MUX同步器法/多周期路径同步法（意思都差不多）。

快到慢：因为考虑时钟采样速度，所以需要延长（使能信号）信号长度。最常用的还是“握手协议”，将使能信号同步后再加载多比特数据。

处理多比特数据跨时钟传输，最常用还是异步FIFO，

一来异步FIFO同时适用快到慢和慢到快两种CDC传输；

二来也能更好地满足数据流具有较快的传输速度要求。