跨时钟域信号如何处理?

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之前有一篇文章讲述了跨时钟域信号的处理第1篇,IC面试中常被问到——跨时钟域信号如何处理?这是第2篇。

前面提到,用敲两级DFF的办法(两级DFF同步器)可以实现单比特信号跨时钟域处理。但你或许会有疑问,是所有的单比特信号跨时钟域都可以这么处理吗?

NO!两级DFF同步器,是对信号有一定的要求的。

想象一下,如果频率较高的时钟域A中的信号D1 要传到频率较低的时钟域B,但是D1只有一个时钟脉冲宽度(1T),clkb 就有几率采不到D1了,如图1。

时钟脉冲

图1 快时钟域信号传递到慢时钟域

因此只有当D1 在很长一段时间内为1或0,确保一定可以被clkb采样到,才能用两级DFF同步器处理。

如果信号D1 只有1T或几个T的脉宽,又需要传到时钟频率较低甚至或快或慢不确定的时钟域B,这种情况该怎么如何处理呢?

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握手协议(handshake)异步信号处理是一种常见的异步信号处理方法。常见的握手协议异步信号处理行为波形图大致如下图2:

时钟脉冲

图2 一种handshake电路波形

信号d_in 所处时钟域是clk_in,且d_in只有1T 的宽度,想要传送到clk_out 时钟域(clk_out 跟clk_in不相关)。

因为clk_out 和 clk_in相位关系不确定,时钟周期大小关系不确定,无法保证一定能采样到d_in。

因此需要把d_in展宽,产生d_req 信号;

d_req 信号一直拉高,经过clk_out时钟域两级DFF 同步器后,得到d_reg_sync;

取d_req_sync 上升沿1T,即可得到传送到clk_out 时钟域的d_out。

此时,d_in 从clk_in 传送到clk_out 的任务就算是结束了。

但对于handshake 电路来说,任务还没结束,因为d_req 还一直是高电平。

因此,需要把d_req_sync 信号再用两级DFF同步器,传回clk_in 时钟域,得到d_ack信号;

当clk_in 看到d_ack拉高后,就可以把d_req 信号拉低,到这里一个handshake电路行为才算是结束了。

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根据上面的波形图,可以看到握手协议异步信号处理并不复杂,但是细心的朋友应该会注意到,这个处理方法信号传递的速度相对较慢。

从图2 的波形来看,至少需要3个clk_in 和2个clk_out时钟周期。根据不同的应用需求,人们会对图2的波形做不同的改造。但万变不离其宗,原理都是一样的,电路也大同小异。

最后留4个问题供大家思考,以增进对handshake电路的理解:

1. 图2中的d_req的逻辑怎么实现?

2. 图2中的d_out的逻辑怎么实现?

3. 假设时钟域clka比clkb 频率高,如果输入信号的两个相邻脉冲D0和D1非常较近,如下图所示,如果使用握手协议处理,会发生怎样的事情?

时钟脉冲

4.问题3里面,如果要确保D1数据一定要被能传送到clkb,电路该如何实现?

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