[導(dǎo)讀]本文主要介紹各種類型的跨時鐘域問題。同步時鐘是指具有已知相位和頻率關(guān)系的時鐘。這些時鐘本質(zhì)上是來自同一時鐘源。根據(jù)相位和頻率關(guān)系，可分為以下幾類：具有相同頻率和零相位差的時鐘具有相同頻率和固定相位差的時鐘具有不同頻率和可變相位差的時鐘整數(shù)倍時鐘非整數(shù)倍時鐘具有相同頻率和零相位差的...
本文主要介紹各種類型的跨時鐘域問題。同步時鐘是指具有已知相位和頻率關(guān)系的時鐘。這些時鐘本質(zhì)上是來自同一時鐘源。根據(jù)相位和頻率關(guān)系，可分為以下幾類：
具有相同頻率和零相位差的時鐘具有相同頻率和固定相位差的時鐘具有不同頻率和可變相位差的時鐘整數(shù)倍時鐘非整數(shù)倍時鐘
具有相同頻率和零相位差的時鐘時鐘C1和C2具有相同的頻率和0相位差。由于此時時鐘C1和C2是相同的，并且由相同的時鐘源產(chǎn)生，因此從C1到C2的數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上不是跨時鐘域。每當數(shù)據(jù)從時鐘C1傳輸?shù)紺2時，一個C1(或C2)時鐘周期就可以完成數(shù)據(jù)采樣，如下圖所示。
具有相同頻率和固定相位差的時鐘如下圖所示時鐘C1和C2具有相同的頻率，但發(fā)生相位偏移，C1領(lǐng)先C2 3T/4時間單位。每當數(shù)據(jù)從時鐘C1傳輸?shù)紺2時，由于setup/hold margin較小，對組合邏輯延遲有更嚴格的要求（setup或者hold ）。如果數(shù)據(jù)傳輸處的setup/hold時間滿足要求，數(shù)據(jù)將被正確地傳輸，并且不存在亞穩(wěn)態(tài)。在這種情況下也不需要同步器，唯一的要求是設(shè)計STA clean。
具有不同頻率和可變相位差的時鐘
這里可以有兩個子類別：1、一個時鐘的時鐘周期是另一個時鐘的整數(shù)倍（奇數(shù)倍和整數(shù)倍）2、一個時鐘的時鐘周期是另一個時鐘的非整數(shù)倍。
在這兩種情況下，時鐘邊沿之間的相位差可以是可變的。
1. 整數(shù)倍時鐘在這種情況下，一個時鐘的頻率是另一個時鐘的奇數(shù)倍，它們邊沿之間的相位差是可變的。下圖中2個時鐘邊沿之間的最大相位差等于快速時鐘的時間周期。時鐘C1比時鐘C2快3倍。假設(shè)T是時鐘C1的時鐘周期，時鐘C2采樣到的數(shù)據(jù)可能來自時鐘C1的T、2T或3T時刻數(shù)據(jù)。在進行靜態(tài)時序分析時需要針對setup和hold的最差情況。在上面這種情況下，由慢時鐘到快時鐘的數(shù)據(jù)傳輸只要滿足時序，不存在亞穩(wěn)態(tài)或數(shù)據(jù)不一致，也不需要同步器。然而，在快時鐘到慢時鐘的情況下存在數(shù)據(jù)丟失的問題。為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該至少在一個目標時鐘（慢時鐘）的周期內(nèi)保持不變。這可以通過一些控制電路（例如狀態(tài)機）來保證。在上圖的示例中，如果源時鐘每3個周期生成一次源數(shù)據(jù)，則不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
2.非整數(shù)倍時鐘
在這種情況下，一個時鐘的頻率是另一個時鐘的非整數(shù)倍，時鐘邊沿之間的相位差是可變的。這里考慮兩種情況：第1種情況下，兩個時鐘的時鐘邊沿非常近，近到足以導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)問題。然而，一旦時鐘邊沿接近，在下一個周期中有足夠的時間來適當?shù)夭东@數(shù)據(jù)。在這種情況下，這兩個時鐘的邊沿可以斷斷續(xù)續(xù)地結(jié)合在一起。
換句話說，時鐘邊沿一次接合在一起，然后在接下來的幾個周期中，時鐘邊沿之間會有足夠的時間以正確地捕獲數(shù)據(jù)。在這里，“近”一詞意味著足夠近，足以引起亞穩(wěn)態(tài)。
在下圖中，時鐘C1和C2的時間周期分別為10ns和7ns。由于亞穩(wěn)態(tài)，當時鐘邊沿非常接近時，可能無法在目標時鐘域中捕獲數(shù)據(jù)。然而，在下一個周期中，就可能有足夠的時間以便目標時鐘可以正確地捕獲數(shù)據(jù)。如下圖所示，雖然預(yù)期輸出是B1，實際波形看起來像B2，但在這種情況下仍然沒有數(shù)據(jù)丟失（當然也不是每一拍都能采到）。對于快時鐘到慢時鐘的跨時鐘域傳輸，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該在至少一個目標時鐘周期內(nèi)保持不變。同樣，這可以通過使用一個簡單的FSM來實現(xiàn)。
第2種情況下，兩個時鐘的時鐘邊沿可以足夠接近并且連續(xù)多個周期。在這種情況下，時鐘之間的相位差有時非常小，并且可以保持幾個周期。這與異步時鐘非常相似，除了可變相位差是已知的并周期性地重復(fù)。
下圖中這兩個時鐘的時鐘邊沿連續(xù)4個周期非常接近。在前2個周期中，有可能出現(xiàn)setup違例，而在接下來的2個周期中，也有可能出現(xiàn)hold違例。在這種情況下，將存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需要進行同步。除了亞穩(wěn)態(tài)之外，還可能存在數(shù)據(jù)丟失的問題，盡管它是一個慢時鐘到快時鐘域的傳輸。上圖中，如果沒有亞穩(wěn)態(tài)，B1是預(yù)期的輸出。但是，實際的輸出可以是B2。這里的數(shù)據(jù)值“1”丟失，因為在第一個周期中，值“1”由于setup違例而沒有被捕獲，而在第二個周期中，新值“0”被錯誤捕獲。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)需要在至少兩個目標時鐘周期內(nèi)保持不變。這可以通過使用一個簡單的FSM來控制源數(shù)據(jù)的生成來實現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)不連貫性的問題可能仍然存在。在這種情況下，需要使用握手和FIFO等技術(shù)處理數(shù)據(jù)的不連貫性問題。
異步跨時鐘域
沒有已知相位或頻率關(guān)系的時鐘被稱為異步時鐘。異步時鐘之間的相位差是可變的，而且不像同步時鐘，它是不可預(yù)測的。
如果已知源時鐘頻率和目標時鐘頻率，則可以通過保持源數(shù)據(jù)在目標時鐘的兩個周期內(nèi)不變來防止數(shù)據(jù)丟失。如果電路要被設(shè)計為獨立于時鐘頻率，則應(yīng)使用握手或FIFO技術(shù)來防止亞穩(wěn)態(tài)、數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)一致性問題。
具有相同頻率和零相位差的時鐘具有相同頻率和固定相位差的時鐘具有不同頻率和可變相位差的時鐘整數(shù)倍時鐘非整數(shù)倍時鐘
具有相同頻率和零相位差的時鐘時鐘C1和C2具有相同的頻率和0相位差。由于此時時鐘C1和C2是相同的，并且由相同的時鐘源產(chǎn)生，因此從C1到C2的數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上不是跨時鐘域。每當數(shù)據(jù)從時鐘C1傳輸?shù)紺2時，一個C1(或C2)時鐘周期就可以完成數(shù)據(jù)采樣，如下圖所示。
具有相同頻率和固定相位差的時鐘如下圖所示時鐘C1和C2具有相同的頻率，但發(fā)生相位偏移，C1領(lǐng)先C2 3T/4時間單位。每當數(shù)據(jù)從時鐘C1傳輸?shù)紺2時，由于setup/hold margin較小，對組合邏輯延遲有更嚴格的要求（setup或者hold ）。如果數(shù)據(jù)傳輸處的setup/hold時間滿足要求，數(shù)據(jù)將被正確地傳輸，并且不存在亞穩(wěn)態(tài)。在這種情況下也不需要同步器，唯一的要求是設(shè)計STA clean。
具有不同頻率和可變相位差的時鐘
這里可以有兩個子類別：1、一個時鐘的時鐘周期是另一個時鐘的整數(shù)倍（奇數(shù)倍和整數(shù)倍）2、一個時鐘的時鐘周期是另一個時鐘的非整數(shù)倍。
在這兩種情況下，時鐘邊沿之間的相位差可以是可變的。
1. 整數(shù)倍時鐘在這種情況下，一個時鐘的頻率是另一個時鐘的奇數(shù)倍，它們邊沿之間的相位差是可變的。下圖中2個時鐘邊沿之間的最大相位差等于快速時鐘的時間周期。時鐘C1比時鐘C2快3倍。假設(shè)T是時鐘C1的時鐘周期，時鐘C2采樣到的數(shù)據(jù)可能來自時鐘C1的T、2T或3T時刻數(shù)據(jù)。在進行靜態(tài)時序分析時需要針對setup和hold的最差情況。在上面這種情況下，由慢時鐘到快時鐘的數(shù)據(jù)傳輸只要滿足時序，不存在亞穩(wěn)態(tài)或數(shù)據(jù)不一致，也不需要同步器。然而，在快時鐘到慢時鐘的情況下存在數(shù)據(jù)丟失的問題。為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該至少在一個目標時鐘（慢時鐘）的周期內(nèi)保持不變。這可以通過一些控制電路（例如狀態(tài)機）來保證。在上圖的示例中，如果源時鐘每3個周期生成一次源數(shù)據(jù)，則不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
2.非整數(shù)倍時鐘
在這種情況下，一個時鐘的頻率是另一個時鐘的非整數(shù)倍，時鐘邊沿之間的相位差是可變的。這里考慮兩種情況：第1種情況下，兩個時鐘的時鐘邊沿非常近，近到足以導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)問題。然而，一旦時鐘邊沿接近，在下一個周期中有足夠的時間來適當?shù)夭东@數(shù)據(jù)。在這種情況下，這兩個時鐘的邊沿可以斷斷續(xù)續(xù)地結(jié)合在一起。
換句話說，時鐘邊沿一次接合在一起，然后在接下來的幾個周期中，時鐘邊沿之間會有足夠的時間以正確地捕獲數(shù)據(jù)。在這里，“近”一詞意味著足夠近，足以引起亞穩(wěn)態(tài)。
在下圖中，時鐘C1和C2的時間周期分別為10ns和7ns。由于亞穩(wěn)態(tài)，當時鐘邊沿非常接近時，可能無法在目標時鐘域中捕獲數(shù)據(jù)。然而，在下一個周期中，就可能有足夠的時間以便目標時鐘可以正確地捕獲數(shù)據(jù)。如下圖所示，雖然預(yù)期輸出是B1，實際波形看起來像B2，但在這種情況下仍然沒有數(shù)據(jù)丟失（當然也不是每一拍都能采到）。對于快時鐘到慢時鐘的跨時鐘域傳輸，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，為了防止這種情況發(fā)生，源數(shù)據(jù)應(yīng)該在至少一個目標時鐘周期內(nèi)保持不變。同樣，這可以通過使用一個簡單的FSM來實現(xiàn)。
第2種情況下，兩個時鐘的時鐘邊沿可以足夠接近并且連續(xù)多個周期。在這種情況下，時鐘之間的相位差有時非常小，并且可以保持幾個周期。這與異步時鐘非常相似，除了可變相位差是已知的并周期性地重復(fù)。
下圖中這兩個時鐘的時鐘邊沿連續(xù)4個周期非常接近。在前2個周期中，有可能出現(xiàn)setup違例，而在接下來的2個周期中，也有可能出現(xiàn)hold違例。在這種情況下，將存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需要進行同步。除了亞穩(wěn)態(tài)之外，還可能存在數(shù)據(jù)丟失的問題，盡管它是一個慢時鐘到快時鐘域的傳輸。上圖中，如果沒有亞穩(wěn)態(tài)，B1是預(yù)期的輸出。但是，實際的輸出可以是B2。這里的數(shù)據(jù)值“1”丟失，因為在第一個周期中，值“1”由于setup違例而沒有被捕獲，而在第二個周期中，新值“0”被錯誤捕獲。
為了防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)需要在至少兩個目標時鐘周期內(nèi)保持不變。這可以通過使用一個簡單的FSM來控制源數(shù)據(jù)的生成來實現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)不連貫性的問題可能仍然存在。在這種情況下，需要使用握手和FIFO等技術(shù)處理數(shù)據(jù)的不連貫性問題。
異步跨時鐘域
沒有已知相位或頻率關(guān)系的時鐘被稱為異步時鐘。異步時鐘之間的相位差是可變的，而且不像同步時鐘，它是不可預(yù)測的。
如果已知源時鐘頻率和目標時鐘頻率，則可以通過保持源數(shù)據(jù)在目標時鐘的兩個周期內(nèi)不變來防止數(shù)據(jù)丟失。如果電路要被設(shè)計為獨立于時鐘頻率，則應(yīng)使用握手或FIFO技術(shù)來防止亞穩(wěn)態(tài)、數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)一致性問題。
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