揭秘3种跨时钟域处理的方法

跨时钟域处理是FPGA设计中经常遇到的问题,而如何处理好跨时钟域间的数据,可以说是每个FPGA初学者的必修课。如果是还在校的本科生,跨时钟域处理也是面试中经常常被问到的一个问题。

在本篇文章中,主要介绍3种跨时钟域处理的方法,这3种方法可以说是FPGA界最常用也最实用的方法,这三种方法包含了单bit和多bit数据的跨时钟域处理,学会这3招之后,对于FPGA相关的跨时钟域数据处理便可以手到擒来。

本文介绍的3种方法跨时钟域处理方法如下:

  • 打两拍;
  • 异步双口RAM;
  • 格雷码转换。
  • 第一种方法:打两拍
    大家很清楚,处理跨时钟域的数据有单bit和多bit之分,而打两拍的方式常见于处理单bit数据的跨时钟域问题。

    打两拍的方式,其实说白了,就是定义两级寄存器,对输入的数据进行延拍。如下图所示。

    应该很多人都会问,为什么是打两拍呢,打一拍、打三拍行不行呢?

    先简单说下两级寄存器的原理:两级寄存是一级寄存的平方,两级并不能完全消除亚稳态危害,但是提高了可靠性减少其发生概率。总的来讲,就是一级概率很大,三级改善不大。

    这样说可能还是有很多人不够完全理解,那么请看下面的时序示意图:

    data是时钟域1的数据,需要传到时钟域2(clk)进行处理,寄存器1和寄存器2使用的时钟都为clk。假设在clk的上升沿正好采到data的跳变沿(从0变1的上升沿,实际上的数据跳变不可能是瞬时的,所以有短暂的跳变时间),那这时作为寄存器1的输入到底应该是0还是1呢?这是一个不确定的问题。所以Q1的值也不能确定,但至少可以保证,在clk的下一个上升沿,Q1基本可以满足第二级寄存器的保持时间和建立时间要求,出现亚稳态的概率得到了很大的改善。

    如果再加上第三级寄存器,由于第二级寄存器对于亚稳态的处理已经起到了很大的改善作用,第三级寄存器在很大程度上可以说只是对于第二级寄存器的延拍,所以意义是不大的。

    可能对于这部分的解释不是很到位,不过还是希望大家能够多思考一下,欢迎大家批评指正。

    第二种方法:异步双口RAM

    处理多bit数据的跨时钟域,一般采用异步双口RAM。假设我们现在有一个信号采集平台,ADC芯片提供源同步时钟60MHz,ADC芯片输出的数据在60MHz的时钟上升沿变化,而FPGA内部需要使用100MHz的时钟来处理ADC采集到的数据(多bit)。

    在这种类似的场景中,我们便可以使用异步双口RAM来做跨时钟域处理。先利用ADC芯片提供的60MHz时钟将ADC输出的数据写入异步双口RAM,然后使用100MHz的时钟从RAM中读出。

    对于使用异步双口RAM来处理多bit数据的跨时钟域,相信大家还是可以理解的。当然,在能使用异步双口RAM来处理跨时钟域的场景中,也可以使用异步FIFO来达到同样的目的。

    第三种方法:格雷码转换

    对于第三种方法,Kevin在大学里边从没接触过,也是在工作中才接触到。

    我们依然继续使用介绍第二种方法中用到的ADC例子,将ADC采样的数据写入RAM时,需要产生RAM的写地址,但我们读出RAM中的数据时,肯定不是一上电就直接读取,而是要等RAM中有ADC的数据之后才去读RAM。这就需要100MHz的时钟对RAM的写地址进行判断,当写地址大于某个值之后再去读取RAM。

    在这个场景中,其实很多人都是使用直接用100MHz的时钟于RAM的写地址进行打两拍的方式,但RAM的写地址属于多bit,如果单纯只是打两拍,那不一定能确保写地址数据的每一个bit在100MHz的时钟域变化都是同步的,肯定有一个先后顺序。如果在低速的环境中不一定会出错,在高速的环境下就不一定能保证了。所以更为妥当的一种处理方法就是使用格雷码转换。

    对于格雷码,相邻的两个数间只有一个bit是不一样的(格雷码,在本文中不作详细介绍),如果先将RAM的写地址转为格雷码,然后再将写地址的格雷码进行打两拍,之后再在RAM的读时钟域将格雷码恢复成10进制。这种处理就相当于对单bit数据的跨时钟域处理了。

    对于格雷码与十进制互换的代码,仅提供给大家作参考:

    代码使用的是函数的形式,方便调用,op表示编码或者译码,WADDRWIDTH和RADDRWIDTH表示位宽。

    文章转载自:邓堪文博客 » 揭秘《跨时钟域处理》三大方法