探讨两种时钟同步的总线电路方案

高速数字电路模块通常以 同步 (synchronous)电路的形式实现，它们由一个或者多个时钟驱动（触发）。对于 单一时钟（域） 的同步电路而言，只要输入和时钟的关系满足 建立(setup)时间 、保持(hold)时间的时序关系，电路的输出（布尔值）就是可预测的，这是数字逻辑电路设计的基础。如果 不能满足建立保持时间 ，我们认为输入是 异步 (asynchronous) 信号 。一个时钟域的同步信号输出到另一个时钟域通常被认为是异步信号。

本文从同步电路的时序模型出发，探讨了两种时钟同步的总线电路方案：

• 共同时钟 (common clock)总线
• 源同步 (source synchronous)总线

共同时钟总线的收发端使用同一时钟，结构简单，由于物理限制和PVT效应，局限于时钟速率比较低的应用；源同步总线增加 接口时钟 ，并以 与数据相同的方式发送 ，大大提升了接口时钟速率，由于引入了 不同的时钟域 ，也增加了接口设计的复杂程度。

1. 时钟同步电路的时序模型

<图1>

寄存器A在时钟(launch clock)的上升沿打出数据，经过两段飞行时间（传输延时）和组合逻辑电路延时之后，在下一个时钟沿（capture clock）被寄存器B抓取，这里假设A、B的时钟完全相同 - 频率相同相位相同。在两个时钟上升沿之间，按照时间顺序，发生了下列事件：

寄存器A打出输出（QA）。QA在上升沿之后一段时间才能有效（valid），这个时间是tco（clock to output）；

传输延时tflight1，组合逻辑电路引起的延时tlogic，传输延时tflight2；

寄存器B抓取输入。输入在时钟上升沿之前必须提前稳定（建立时间tsetup），在时钟上升沿之后保持一段时间（保持时间thold）。假如不满足建立、保持时间的要求，那么B的输出可能会非0非1的亚稳态(Metastability)。

<图2>

把这些事件衔接在一起，形成了时序预算（timing budget）分配图。注意，‘X’表示不确定区间，通常是由PVT(制程电压温度)效应引起的偏差。

tsetup_margin = Period - tco(max)- tflight1 - tlogic(max) - tflight2 - tsetup

thold_margin = tco(min) + tflight1 + tlogic(min) + tflight2 - thold

tsetup_margin和thold_margin为 时序裕量 (margin)，它**>=0代表满足建立保持时间**要求。

2. 共同时钟（common clock）系统总线

共同时钟系统其实可以借用<图1>，只需要把寄存器换成芯片（系统）。

共同时钟系统只有一个时钟（域），无论发送端还是接收端。

回到时序计算公式，要使tsetup_margin >=0，可以得到：

Period >= tco（max） + tflight1 + tlogic(max) + tflight2 + tsetup

右边这些参数代表了真实的物理局限，它们决定了时钟可以跑多快（时钟周期最小是多少）。

tflight1、tflight2来自于PCB走线，连接器，芯片封装等等。

tco、tsetup、tlogic代表芯片的 物理特性参数 。不同的芯片在不同的温度/电压下由于PVT效应表现会有变化，形成了时序图上的 不确定区间 。我们必须计算最恶劣（worst case）的情况，这会吃掉时序裕量。

而且，我们也做不到理想的单一同步时钟。出于信号质量的考量，时钟信号通常是点对点（point to point）的连接。不同模块的时钟，通常是连接同一个时钟buffer的不同扇出(fanout)。在工程实践上，理想的同步很难做到，只能把相位偏差（skew）控制在一定范围内。

所有这些，都限制了时钟速度或者数据吞吐量的提升，而优化参数常常意味着成本的抬升。老戚看到的共同时钟系统的时钟没有超过100MHz的。实现更高速总线的解决办法是源同步时钟方案。

3. 源同步（source synchronous）系统

源同步在芯片（系统）接口上 同时输出数据和（接口）时钟 ，数据和时钟采用完全相同的IO结构，从而最大程度的抵消tco，tflight等等。通常认为，同一个芯片上的PVT效应也是一致的。

<图3>

<图3>是典型的中心对齐（center aligned）的源同步DDR输出。内部PLL的输出两路相位相差90度的时钟，经过同等的传输延时，到达接收端的时候，时钟刚好处在数据的中心（假定接收端建立保持时间的要求也是对等的）。接收端使用接口时钟clock_out抓取数据data_out，紧接着把数据同步到本地时钟。 接口时钟和本地时钟并不一致 ，属于 不同的时钟域 。

现有的高速并行接口无一例外都是源同步，最典型的当然是内存接口。以DDR4为例，地址/命令/片选信号和主时钟形成了一组源同步总线，内存数据DQ每8位就会有一个DQS信号作为接口时钟，形成源同步的数据时钟总线。在接收端，数据会先被抓取到相应DQS的时钟域，然后同步到主时钟。

源同步很好的解决了接口总线的速度问题，却也引入了不同的时钟域， 增加了收发接口设计的复杂度 。

4. 跨时钟域（clock domain crossing）

实现跨时钟域的信号传递要回到时钟域C0的输出到时钟域C1的输入的建立保持时间的基本问题。

假如时钟C0/C1 同源 （不同频，例如分频/倍频关系）而且相位差固定的 可以直接用本地时钟抓取 ；同频（源）但是不知道相位关系不确定的可以以FIFO的方式解决；有频差的也可以用 FIFO解决 ，但要防止溢出（overrun，underrun）。

还是以DDR4内存接口为例，假设主时钟是1600MHz，那么DQS则是倍频 --- 3200MHz。由于时钟（包括地址/命令/片选）信号的fly-by拓扑，时钟到达不同内存颗粒存在先后顺序。对于写操作（write），控制器通过write leveling侦测到未经调整的DQS和主时钟的相位关系，相应的调整输出DQS的相位，保证内存颗粒接收的DQS和主时钟保持 特定的相位关系 ，从而在颗粒内部能够以最简单的方式（同时延时latency最小）完成跨时钟域。对于读操作，似乎有read leveling来实现相似的功能（这方面资料不详）。有趣的是，在DDR4内存接口，控制器（通常逻辑更为复杂）承担了所有时序调整的责任，内存（存储厂商的逻辑设计能力要差一些）接口则以最简化的方式工作。

在以太网领域，处理跨时钟域更常用的方法是FIFO(First In First Out)。FIFO不仅能够处理同频时钟的跨时钟域数据转换，也能处理不同频率（有限频差）的跨时钟域处理，从而获得了广泛的应用。PCIe协议和以太网协议都运用基于FIFO的 弹性缓冲 （elastic buffer）来处理系统时钟的PPM偏差问题。