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跨时钟域总结

秋招学习跨时钟域
总结一下吧

异步电路

设计中有两个频率不同的时钟(也可能多个),而有数据在两组时钟之间传输

单bit跨时钟域

慢时钟域数据-> 快时钟域

• 方法 : 使用两个锁存器 (打两拍)

数据跨时钟域同步过程中,脉冲宽度会改变，不影响同步结果

`timescale 1ns/1ns//慢时钟数据跨时钟域到快时钟域
module cdc_slow2fast(input clk_s     ,input pluse_s   ,input clk_f     ,output pluse_f
);reg pluse_s_ff1 ;reg pluse_s_ff2 ; //慢时钟下的数据在快时钟下打两拍always @(posedge clk_f)beginpluse_s_ff1 <= pluse_s ;pluse_s_ff2 <= pluse_s_ff1 ;endassign pluse_f = pluse_s_ff2 ;
endmodule

快时钟域数据 -> 慢时钟域

• 脉冲展宽+同步

那么将快时钟域的信号进行展宽，但是会出现毛刺

`timescale 1ns/1nsmodule cdc_fast2slow(input clk_f ,input clk_s ,input pulse_f,output pulse_s
);//在快时钟域下打两拍 //目的是为了将脉冲信号展宽，方便识别reg [2:0] pulse_f_ff;always @(posedge clk_f) beginpulse_f_ff <= {pulse_f_ff[1:0],pulse_f} ;endwire pulse_s_w ;assign pulse_s_w =  | pulse_f_ff ;//按位或reg pulse_s_ff1;reg pulse_s_ff2;always @(posedge clk_s) beginpulse_s_ff1 <= pulse_s_w  ;pulse_s_ff2 <= pulse_s_ff1 ;endassign pulse_s = pulse_s_ff2;
endmodule

• 方法2 : 脉动电平检测+双触发器同步+边缘检测

  • 对快时钟域的电平设置检测信号（翻转）
  • 将翻转信号进行跨时钟域处理
  • 使用两次寄存器打节拍
  • 将两个寄存器信号做异或

`timescale 1ns/1nsmodule cdc_fast2slow_new(input clk_f ,input clk_s ,input pulse_f,output pulse_s
);//标志寄存器： 检测快时钟域中的脉冲信号reg  pulse_f_flag = 0;always @(posedge clk_f) beginif(pulse_f)beginpulse_f_flag <= ~pulse_f_flag ;end else beginpulse_f_flag <= pulse_f_flag  ;end endreg pulse_f_ff1;reg pulse_f_ff2;reg pulse_s_ff3;    //这里的第三拍为了异或操作//对标志寄存器做跨时钟域处理always @(posedge clk_s) beginpulse_f_ff1 <= pulse_f_flag  ;pulse_f_ff2 <= pulse_f_ff1 ;pulse_s_ff3 <= pulse_f_ff2 ;endassign pulse_s = pulse_s_ff3 ^ pulse_f_ff2;
endmodule

多bit跨时钟域处理

• 多bit的跨时钟域为什么不能直接打两拍？

每一个寄存器中的数据在进行跨时钟域处理的时候，从源寄存器到目的寄存器之间的延迟可能会出现不同的路径长度，所以延迟也不能控制完全相等。

方法1 ： 慢时钟域-> 快时钟域 : 格雷码+同步

采用格雷码。使相邻两个多bit数据传输过程中，只有一个bit发生改变。（多bit变化到单bit变化）降低亚稳态的产生。

格雷码只能在地址或者数值依次增加的情况下使用。

数值不是依次增加，那么格雷码相邻的数值不止一个bit发生改变。

`timescale  1ns/1ns//格雷码+同步的方法只适合两种情况
// 1. 多bit的跨时钟域数值（地址or数据）必须依次变化（增大 or 减小） 
// 2. 必须是慢时钟域数据到快时钟域数据module gray_cdc(input clk_s,input clk_f,input [3:0] data_in,output [3:0] data_out 
);//二进制2格雷码wire [3:0] gray_data;assign  gray_data = (data_in>>1) ^ data_in ;//跨时钟域处理reg [3:0] gray_data_ff1;reg [3:0] gray_data_ff2;//格雷码2二进制reg [3:0] out_data;//跨时钟域处理always @(posedge clk_f ) begingray_data_ff1 <= gray_data ;gray_data_ff2 <= gray_data_ff1 ;end//格雷码2二进制integer i;always @(*) beginout_data[3] <= gray_data_ff2[3];for(i=2;i>=0;i=i-1) beginout_data[i] = (gray_data_ff2[i] ^ out_data[i+1]);endendassign data_out =out_data; endmodule

方法2 ： 快时钟域 -> 慢时钟域 : Dmux

格雷码+同步的方法只适合数值依次变化（累加or累减），并且是慢时钟域到快时钟域。

当快时钟域源数据向慢时钟域传输，数据可能被慢时钟域遗漏。
因此在Dmux方法中，需要快时钟域数据在快时钟域下保持几个时钟周期：满足源数据有足够时间传向目的数据

• 条件：支持多bit跨时钟域处理（支持跳变的多bit数据），DMUX在源端的clk信号必须维持好几个目的断时钟周期时间（3-4个）

module dmux_cdc #(parameter tx_clk = 100,parameter rx_clk = 50 ,parameter DATA_WIDTH = 8
)
(input clk_f ,input clk_s ,input rst_n  ,input [DATA_WIDTH-1:0] data_in ,input valid_in ,output [DATA_WIDTH-1 :0] data_out,output valid_out
);reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in_ff1;reg valid_in_ff1;//在快时钟域打一拍always @(posedge clk_f or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindata_in_ff1 <= 'd0;valid_in_ff1 <= 'd0;end else begindata_in_ff1 <= data_in;valid_in_ff1 <= valid_in ;endendreg valid_in_ff2;reg valid_in_ff3;//valid信号在慢时钟域打两拍always @(posedge clk_s)beginif(!rst_n)beginvalid_in_ff2<= 'd0;valid_in_ff3<= 'd0;end else beginvalid_in_ff2<= valid_in_ff1 ;valid_in_ff3<= valid_in_ff2 ;endend//选择器(MUX)reg [DATA_WIDTH-1 : 0] data_out_ff1;reg valid_out_ff1;always @(posedge clk_s)beginif(!rst_n)begindata_out_ff1<= 'd0;valid_out_ff1 <= 'd0;end else if(valid_in_ff3) begindata_out_ff1 <= data_in_ff1;valid_out_ff1 <= 'd1;end else begindata_out_ff1 <= data_out_ff1;valid_out_ff1 <= 'd0;endendassign data_out = data_out_ff1;assign valid_out = valid_out_ff1 ;endmodule