跨时钟域的亚稳态的应对措施

 

在学习 “跨时钟域的亚稳态的应对措施” 时，常会看到有三种解决方案：

单bit信号，用：打两拍

多bit信号，用：异步FIFO

多bit信号，用：格雷码

多bit信号，用：握手

记是记住了，但我有好几个疑惑一直没理解，网上冲浪却搜不到答案、还是非常困惑…

以下是我的疑惑：

为什么用“打两拍”来应对跨时钟域的亚稳态，“打一拍” 不行吗？

为什么说，用“打两拍”只是降低了亚稳态的概率，但也有可能导致亚稳态的传递呢？

若后接了个FF，随着posedge clk的出现，触发器不应该直接就采到0或1了吗，为啥亚稳态还有一定概率传递呢？

假设是DFF（D触发器），其亚稳态稳定后的值，会恢复为正确的预期输出值吗？还是就算稳定了也是无效输出？

即使 “打两拍”能阻止“亚稳态的传递”，但亚稳态导致后续FF sample到的值依然不一定是符合预期的值，那 “错误的值” 难道不依然会向后传递，从而造成错误的后果吗？

多bit的跨时钟域情况用 异步FIFO处理，好理解；格雷码有啥用嘞？

格雷码可以让相邻二进制数变化只改变1位，但在多bit的data传输过程中，data value不都是随机变化么，格雷码有啥用嘞？

主要是前面关于打两拍的疑惑，网上冲浪找不到解答的帖子。

网上只有两个核心的回答，但对我这样的数电小白，完全是没有回答到我个人解惑的点子上，但解惑后再看，会有新的收获：

打两拍的目的：第一拍是异步信号转同步，第二拍是防止亚稳态的传递。

我听了还是很迷。(￣▽￣)"

打一拍和打两拍和打三拍的区别：用触发器进入亚稳态的平均故障时间间隔MTBF进行计算，证明打拍数增加，产生亚稳态的可能性递减：打一拍直接用，很可能出现亚稳态输出；打两拍再直接用，出现亚稳态的概率是109年出现一次（具体计算参数见reference）；打三拍再直接俄用，出现的概率更低，但是除非超高频率不然没必要。

可见reference：跨时钟域同步，为什么两级寄存器结构能够降低亚稳态？—— 知乎 龚黎明（https://www.zhihu.com/question/43571892）

那我个人疑惑呢，最后在外网 stack exchange 上解答了——这个老哥居然和我的疑问一毛一样！实在是欣慰，久旱逢甘霖…(￣▽￣)"

Stack Exchange上的回答：How does 2-ff synchronizer ensure proper synchonization?

（不知为什么用firefox不显示问题图片，用chrome才显示图片…）

于是，我打算用自己的话，记录一下它的问题与回答，也回答我个人的疑惑~

概念补充

什么是亚稳态 metastable state？

首先要阐述一下亚稳态的概念。

元器件在现实运行时，触发器输出的逻辑0/1需要时间跳变，而不是瞬发的。因此，若未满足此cell的建立时间、保持时间，其输出值则为中间态，那在logic上可能算成0也可能算成1很难讲（波形显示上可能是毛刺、振荡、固定值等），这就是亚稳态。

一般波形图像上，1是高电平，0是低电平；但微观的亚稳态波形如下：

如图所示：亚稳态的输出波形会卡在中间，过一段时间后，可能稳定成1，也可能稳定成0，但都和原预期值没啥关系了，是无效的！

单bit信号，应用“打两拍”的电路结构图

这张图，给出了两个点：

“打两拍”后可以直接接组合逻辑电路。

我之前以为后面必接时序电路，相当于后面的电路也是触发器，于是产生了：“把打两拍改成打一拍，算上后面的时序电路，不也是相当于打两拍吗” 这样的愚蠢困惑…(￣▽￣)"

下方的波形给了“打两拍能大概率防止亚稳态传递”的图示：

由于异步data变的太突然，第一拍sample后出现亚稳态，第三拍sample后把亚稳态堵住了，得到正常电平（但值不一定和原预期相同）。

解惑环节

综上，可以解答我之前的3个疑惑了：

为什么用“打两拍”来应对跨时钟域的亚稳态，“打一拍” 不行吗？

如打两拍的电路结构图所示：打一拍的话，若第一拍sample到亚稳态，则后续组合逻辑电路的输入直接就是亚稳态波形，肯定会把亚稳态传递下去，就完犊子了。

为什么说，用“打两拍”只是降低了亚稳态的概率，但也有可能导致亚稳态的传递呢？

如前面的两张亚稳态的波形所示，亚稳态如果在1T内稳定成高电平或低电平了（概率80%），那第2拍就sample到正常的0或1；若亚稳态1T最后还是中间态，那第2拍还是可能出现亚稳态的，但概率低。

亚稳态稳定需要多久，具体时间由工艺决定。

假设是DFF（D触发器），其亚稳态稳定后的值，会恢复为正确的预期输出值吗？还是就算稳定了也是无效输出？

如前面的亚稳态微观波形所说：即使亚稳态稳定了，值也无效。

剩下俩疑惑，大头讲。见下文。

打两拍的sample到错误数据怎么办

sample亚稳态，结果可能多样

sample亚稳态，得到的结果可能取决于亚稳态最后稳定于什么状态，如下图表示出各种sample的可能：

如图所示，adat是实际的异步data、bq1_dat是两级触发器中的第一个寄存器sample的数据、bq2_dat是第二个寄存器sanple到的数据，bclk是同步时钟。

则：

a)中，异步data持续2T；FF1 sample到亚稳态时，FF2在下一cycle 对亚稳态的sample是0；但最终sample到了正确的data值。

b)中，异步data持续2T；FF1 sample到亚稳态时，FF2在下一cycle 对亚稳态的sample是1；但最终sample到了正确的data值。

c)中，异步data马上结束，等价于只持续1T（相当于没sample到就错过了）；FF1 sample到亚稳态时，FF2在下一cycle 对亚稳态的sample是1；运气好，最终sample到了正确的data值。

d)中，异步data马上结束，等价于只持续1T；FF1 sample到亚稳态时，FF2在下一cycle 对亚稳态的sample是0；相当于最终错过了data值，没sample到…

那咋办，岂不是说明“打两拍”的方法不行？？？

答案:

因为 “打两拍” 的目的，是为了在单bit传输时，尽可能的防止亚稳态的传递，至于这个sample的正确性，本来就不是重点。这种“sample的正确性如何保证”得根据信号的具体类型、目的、应用场景，来进行具体的讨论。

Trigger Signals：一个脉冲信号，用来开机、启动什么的。它没什么数据信息量，早一个clk、晚一个clk都ok，反正能起作用就行。那上面这个问题就无所谓了。唯一要保证的是，原始异步脉冲信号至少保持2T！（保证打两拍后，能sample到有效信号）

Control Buses：因为有多bit数据需要进行同步，关系比较复杂。那就不能用 “打两拍” 的方法，得用 “握手机制“。

Data Buses：这种情况，非常在乎上面提到的正确性问题。所以就 更不应该用 ”打两拍“方法，得用 异步FIFO的好吧… 在异步FIFO中的指针使用格雷码，可以降低指针在跳变时出现的亚稳态风险、冒险现象。也就说，格雷码和异步FIFO是结合使用的… (￣▽￣)"

总结

当你在乎跨时钟域 “用打两拍解决亚稳态，导致后续sample可能未sample到正确结果” 的case，那就不该用 “打两拍” 的方案，可以考虑异步FIFO和握手机制！而格雷码，和异步FIFO是联合使用的。

“打两拍”的方法，若应用于“从快速时钟域同步到慢速时钟域”，数据得多保持几T，不然会漏采数据。　　

      审核编辑：彭静