用于多時鐘域 SoC 和 FPGA 的同步器技術(shù)

通常，傳統(tǒng)的雙觸發(fā)器同步器用于同步單比特電平信號。如圖1和圖2所示，觸發(fā)器A和B1工作在異步時鐘域。CLK_B 時鐘域中的觸發(fā)器 B1 對輸入 B1-d 進(jìn)行采樣時，輸出 B1-q 有可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。但在 CLK_B 時鐘的一個時鐘周期期間，輸出 B1-q 可能穩(wěn)定到某個穩(wěn)定值。

常規(guī)二觸發(fā)器同步器
通常，傳統(tǒng)的雙觸發(fā)器同步器用于同步單比特電平信號。如圖1和圖2所示，觸發(fā)器A和B1工作在異步時鐘域。CLK_B 時鐘域中的觸發(fā)器 B1 對輸入 B1-d 進(jìn)行采樣時，輸出 B1-q 有可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。但在 CLK_B 時鐘的一個時鐘周期期間，輸出 B1-q 可能穩(wěn)定到某個穩(wěn)定值。如果 B1 在一個時鐘周期內(nèi)沒有穩(wěn)定到穩(wěn)定值，則觸發(fā)器 B2 的輸出可以進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，但是 B2 在一個完整的目標(biāo)時鐘周期內(nèi)處于亞穩(wěn)態(tài)的概率非常接近于零。
如果頻率太高，可以使用更多數(shù)量的觸發(fā)器級，因為這將有助于降低同步器輸出保持在亞穩(wěn)態(tài)的可能性。

圖 2傳統(tǒng) 2FF 同步器的時序

切換同步器用于將源時鐘域中生成的脈沖同步到目標(biāo)時鐘域。不能使用 2 FF 同步器直接同步脈沖。使用 2 FF 同步器從快速時鐘域同步到慢速時鐘域時，可能會跳過脈沖，這會導(dǎo)致脈沖檢測丟失，因此依賴于它的后續(xù)電路可能無法正常運(yùn)行。圖 3和圖 4中的圖表顯示了切換同步器的實現(xiàn)和時序圖。

圖 3切換同步器

圖 4切換同步器的時序

在基于握手的脈沖同步器中，如圖 5和圖 6所示，通過提供確認(rèn)來保證生成到源時鐘域的脈沖同步到目標(biāo)時鐘域。脈沖同步器有一個限制，即無法處理背對背（一個時鐘間隙）脈沖。為了確保源時鐘域中下一個生成的脈沖在目標(biāo)時鐘域中得到明確傳輸和同步，基于握手的脈沖同步器通過對 A1 和 A3 觸發(fā)器輸出進(jìn)行“或”運(yùn)算來生成“忙”信號。因此，產(chǎn)生脈沖的邏輯將不會產(chǎn)生另一個脈沖，直到 busy 信號被斷言。
基于握手的脈沖同步器的定時。
當(dāng)多位信號與 2 觸發(fā)器同步器同步時，每個位都使用單獨(dú)的 2-FF 同步器進(jìn)行同步。亞穩(wěn)態(tài)會導(dǎo)致觸發(fā)器穩(wěn)定為真值或假值。所以每個同步器的輸出可能不會在同一時鐘穩(wěn)定到正確的值。這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。為了使用 2 觸發(fā)器同步器方法同步多位信號，必須保證在特定時鐘周期內(nèi)僅發(fā)生單個位變化。這可以通過格雷編碼來實現(xiàn)。因此，例如，在異步FIFO設(shè)計中，當(dāng)我們使用2-FF同步器在寫時鐘域中同步轉(zhuǎn)換為灰度值后的讀指針值時，存在亞穩(wěn)態(tài)的可能性。由于格雷編碼只有一位變化，所以即使時鐘交叉時存在亞穩(wěn)態(tài)，灰色計數(shù)器值將是以前的值。例如，讀指針（灰度計數(shù)器）值從 0110 變?yōu)?0111 并與寫時鐘同步，然后由于亞穩(wěn)態(tài)（如果發(fā)生）可能性是讀指針仍然保持 0110?，F(xiàn)在，假設(shè)較早的 FIFO 滿標(biāo)志在讀灰度時為高計數(shù)器值為 0110，然后 FIFO Full 將在 1 個時鐘周期內(nèi)保持高電平，但這不會導(dǎo)致問題，因為在下一個時鐘周期中，讀指針值將變?yōu)?0111，并且 FIFO 滿標(biāo)志將被置為無效。如果通過兩個觸發(fā)器同步器將二進(jìn)制計數(shù)器從一個時鐘域取到另一個時鐘域而不是灰色計數(shù)器，則多位更改可能會導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)后不同位的意外恢復(fù)（例如，值從“1001”變?yōu)椤?010”）。圖 7和圖 8顯示了二進(jìn)制到灰色的轉(zhuǎn)換如何幫助解決這個問題。

圖 7多比特信號的格雷編碼

圖8多比特信號格雷編碼時序

再循環(huán)多路復(fù)用同步
對于隔離數(shù)據(jù)和多個位可以同時傳輸?shù)那闆r，使用圖 9和圖 10中所示的再循環(huán)多路復(fù)用同步技術(shù)。為了同步數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)在源觸發(fā)器處可用時，在源時鐘域中生成控制脈沖。然后根據(jù)源域和目標(biāo)域之間的時鐘比率，使用 2 個觸發(fā)器同步器或脈沖同步器（切換或握手）同步控制脈沖。同步控制脈沖用于在目標(biāo)域中對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。在目標(biāo)時鐘域中對其進(jìn)行采樣之前，數(shù)據(jù)應(yīng)該是穩(wěn)定的。
再循環(huán)多路復(fù)用器同步器的定時。
在這種同步方案中，請求和確認(rèn)機(jī)制用于保證將正確的數(shù)據(jù)采樣到目標(biāo)時鐘域中，而不管源時鐘和目標(biāo)時鐘之間的時鐘比如何。該技術(shù)主要用于同步不連續(xù)或不頻繁變化的矢量信號。如圖 12所示，數(shù)據(jù)應(yīng)在總線上保持穩(wěn)定，直到從目標(biāo)端接收到同步確認(rèn)信號 (A2-q) 并且 (A2-q) 變低。圖 11中的圖表顯示了此實現(xiàn)，圖 12顯示了握手同步器的時序。

圖 11握手同步器

圖 12握手同步器的時序

異步 FIFO 同步
FIFO 是在兩個異步時鐘域之間同步不斷變化的矢量數(shù)據(jù)的方式。異步 FIFO 同步器提供跨時鐘域傳輸矢量信號的解決方案，而不會有亞穩(wěn)態(tài)和相干性問題的風(fēng)險。
在異步 FIFO 設(shè)計中，F(xiàn)IFO 提供獨(dú)立于時鐘頻率的完全同步。如圖13所示，經(jīng)過二進(jìn)制轉(zhuǎn)灰度后，讀寫指針分別同步到寫時鐘域和讀時鐘域。