为什么CDC是问题？常用的CDC设计思路

CDC（Clock Domain Crossing，时钟穿越）有很多的论文都讨论过这个主题。本文主要从原理上分析一下为什么CDC是问题、常用的CDC设计思路。不能算权威总结，只是对工作几年CDC设计的经验的一个总结。

源起：建立时间和保持时间

集成电路设计专业的同学期末考试肯定考过“setup time"或者”hold time"的定义，这个也是应届毕业生面试数字集成电路设计岗位的“明牌”必面题目。

先回顾一下setup time（建立时间）和hold time （保持时间）的定义：

建立时间（t su ) 是在时钟翻转（对于正沿触发寄存器为0→1的翻转）之前数据输入（D）必须有效的时间。

维持时间（t hold ）是在时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间。

对于单一时钟的电路进行 时序分析 ，最主要是为了满足这些条件。

比如，说你的设计时序“很紧张”，往往是两级寄存器之间的组合逻辑很多，延时很长。从上一级的数据传到下一级时，无法满足下一级的建立时间。我们这个时候需要做时序修复（timing fix)。

单时钟这个问题比较好考虑，因为数据什么时候开始发送是明确的——上一个时钟沿——我们能够有很多办法去修复时序。（比如前文推送的“模板”）

但对于多时钟设计（异步电路），从一个时钟域向另一个时钟域送数据，时钟（周期）不同，在一个时钟域随时随刻都可能收到另外时钟域的数据，这自然是不能满足建立时间的。

不满足建立时间，那么数据的传输就会失败。何谓“失败”？就是我想传一个数据1过去，我可能成功的传了个1，也可能传了个0，也可能我不知道传了什么值。

不满足建立时间，简单的理解就是：目标时钟域（dest. clock) 的时钟沿和发起时钟域的数据（src. clock)来的时间 很接近 ，而时钟沿和数据的谁先谁后错开一点，传输到下一级的数据就是完全不一样，这种不同这是不可接受的。

因为不满足建立时间，我的数据是不稳的、不可预知的、不精确的。对于单个寄存器而言，我们叫做 亚稳态 （Metastability)。

总结一下： 在数据从一个时钟域向另一个时钟域传输时，无法满足建立时间，数据在被目标时钟域寄存器采值时，会进入亚稳态，无法准确传输数据 。

我们用 时钟穿越 （CDC，Clock Domain Crossing)来描述我们现在处理的这种情况。把所有的这种问题都叫做 时钟穿越问题 （CDC issue)。

随着工艺技术的迭代，很多的公司的集成电路项目出现错误，都是出现在CDC的解决方法有问题，或者验证不够充分上。

本章节先讨论1比特的情况。

那如何解决“1bit的时钟穿越”问题呢？

既然根子上是亚稳态的问题，那我就破掉亚稳态 。

破掉亚稳态有很多种方法，方法都是让数据来到目标时钟域的时钟沿之前稳定住。

延长源信号的方法（不推荐）：

我要传输1，那我就在源时钟域对信号1持续上拉；我要传输0，那我就在源时钟域对信号0持续下拉。换句话说，就是让想传的数据1和0都维持“ 足够长 ”的时间——长到我这个时钟沿采不到，下个时钟沿肯定能采到。

这就是我们看很多年前"老代码"中很普遍的方法：延长源信号长度。比如对源信号连续打多少拍，然后“或”起来组成一个信号使用。

或者干脆不做任何处理直接穿越，前提是能够证明虽然这个信号是一个CDC信号，但是不会轻易改变（比如寄存器初始化之后的一个控制信号，只会在初始化阶段改变）。

延长源信号方法总结：

1. 很多老的设计是直接CDC使用，或者打多拍然后进行传输。

2. 优点：简单，逻辑比较少

3. 缺点：

   3.1.如果源信号的 前提假设发生变化 ，容易出现bug。如第二代设计的时钟频率比变化，或者一个不轻易改变的配置信号（control signal）“与”上了一个经常变的控制信号。不经过仔细验证，维持原有设计，很容易出“大“问题。

   3.2.逻辑虽然简单，但是设计不具有通用性。比如你需要对不同时钟频率比例的进行不同的打拍。

4. 所有可以用“延长源信号”方法的地方，都可以加上同步器（syncer）逻辑 ，这更加保险。

5. 总结：除非维护不好修改的历史代码，新代码不推荐。

同步器（synchronizer, syncer)

那破掉亚稳态还有什么办法呢？

方法很简单，就是在目标时钟域 加速稳定过程 。

D触发器是一个简单的加速稳定的简单结构。虽然1级D触发器，可能不满足建立时间，但是后面再跟一个D触发器，就会 使不稳态要么迅速变化为传输0，要么迅速变化为传输1 。

两级D触发器的串联，就是一个简单的同步器（synchronizer, 或者syncer，或者Sync2D)。

A synchronizer is a device that samples an asynchronous signal and outputs a version of the signal that has transitions synchronized to a local or sample clock."

这种稳定是概率性的，与工艺相关的。稳定下来而不是处于亚稳态的时间，有数学上的MTBF（平均失败时间）公式进行计算。在日常的设计中，一般工艺厂会告知你的一个参数公式（或者是一个查找表），输入你的输入输出频率，就能查找到在当前工艺下的MTBF，然后比对MTBF的要求决定是不是选择SYNC2D(打两拍的同步器)。

如果SYNC2D不满足MTBF的要求，那么就再接一级D触发器，组成SYNC3D（打三拍的同步器）。SYNC3D的MTBF比SYNC2D会长许多数量级。（我在前东家做一个设计，同样的时钟频率，查MTBF表SYCN2D的MTBF是10天，SYNC3D的平均失败时间是50年……）

我在过去做14nm工艺下的设计，项目主管就要求所有的SYNC2D替换为SYNC3D。

我们这里暂时用SYNC2D作为例子（SYNC3D同理）。

同步器有什么好处？

能够安全的排除亚稳态。

同步器有什么坏处或者局限？

目的时钟域会晚几个周期。

这个不算是个问题，既然是跨时钟域的，晚两三个周期没什么问题。

** 数据传过来，对SYNC2D而言，会delay2个周期或者3个周期。** 也就是说你不能确定是2个周期后还是3个周期后能传过目标数据来。对于单比特没有问题，对于多比特存在对齐的问题。 同步器 只能保证数据没有亚稳态，不能保证是正确数据 。

怎么理解呢？就是说，你给我同步器什么数据，我都能给你稳住。但是 你若给我的是错误的值，这不能怨我 。

例如，在这个周期给同步器输入端一个信号1，同步器在能给你稳到0或者1，你只要在发送端的下个周期还给同步器1就好了。经过同步器一走，给个干净的1给你。

同步器的正确前提是，信号必须稳定足够长的时间（能够持续上拉，或者下拉）。

那么多长算长呢？前人理论已经有了研究结论了。在同步器设计理论中，叫做”1.5x规则“或者”三沿规则“： 输入端的信号长度，至少是1.5倍接收时钟周期的长度，或者三个接收时钟沿的长度 。

满足了这个规则，因为是三个边沿，那么肯定会有一个安全的上升沿可以采到。

这是非常重要的一个规则。只要满足了这一规则，同步器就是安全的。

使用同步器本身，可能会漏采或者多采。

其实这只是上一个要点的延伸。同步器是一个稳定单元，只能做到”稳“，你需要“稳+准”，这超出了同步器的能力范围，需要加上一些配合电路才能工作。但几乎所有的CDC电路在时钟穿越的核心逻辑，同步器都包含其中。