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介紹3種方法跨時鐘域處理方法

FPGA設計論壇 ? 來源:CSDN技術社區 ? 作者:weixin_43343190 ? 2021-09-18 11:33 ? 次閱讀

時鐘域處理是FPGA設計中經常遇到的問題,而如何處理好跨時鐘域間的數據,可以說是每個FPGA初學者的必修課。如果是還是在校的學生,跨時鐘域處理也是面試中經常常被問到的一個問題。

在本篇文章中,主要介紹3種跨時鐘域處理的方法,這3種方法可以說是FPGA界最常用也最實用的方法,這三種方法包含了單bit和多bit數據的跨時鐘域處理,學會這3招之后,對于FPGA相關的跨時鐘域數據處理便可以手到擒來。

本文介紹的3種方法跨時鐘域處理方法如下:

1.打兩拍;“

2.異步雙口RAM;”

3.格雷碼轉換;“

第一種方法:打兩拍

大家很清楚,處理跨時鐘域的數據有單bit和多bit之分,而打兩拍的方式常見于處理單bit數據的跨時鐘域問題。

打兩拍的方式,其實說白了,就是定義兩級寄存器,對輸入的數據進行延拍。

先簡單說下兩級寄存器的原理:兩級寄存是一級寄存的平方,兩級并不能完全消除亞穩態危害,但是提高了可靠性減少其發生概率。總的來講,就是一級概率很大,三級改善不大。

這樣說可能還是有很多人不夠完全理解,那么請看下面的時序示意圖:

65ba5808-13d8-11ec-8fb8-12bb97331649.jpg

data是時鐘域1的數據,需要傳到時鐘域2(clk)進行處理,寄存器1和寄存器2使用的時鐘都為clk。假設在clk的上升沿正好采到data的跳變沿(從0變1的上升沿,實際上的數據跳變不可能是瞬時的,所以有短暫的跳變時間),那這時作為寄存器1的輸入到底應該是0還是1呢?

這是一個不確定的問題。所以Q1的值也不能確定,但至少可以保證,在clk的下一個上升沿,Q1基本可以滿足第二級寄存器的保持時間和建立時間要求,出現亞穩態的概率得到了很大的改善。

如果再加上第三級寄存器,由于第二級寄存器對于亞穩態的處理已經起到了很大的改善作用,第三級寄存器在很大程度上可以說只是對于第二級寄存器的延拍,所以意義是不大的。

第二種方法:異步雙口RAM

處理多bit數據的跨時鐘域,一般采用異步雙口RAM。假設我們現在有一個信號采集平臺,ADC芯片提供源同步時鐘60MHz,ADC芯片輸出的數據在60MHz的時鐘上升沿變化,而FPGA內部需要使用100MHz的時鐘來處理ADC采集到的數據(多bit)。

在這種類似的場景中,我們便可以使用異步雙口RAM來做跨時鐘域處理。先利用ADC芯片提供的60MHz時鐘將ADC輸出的數據寫入異步雙口RAM,然后使用100MHz的時鐘從RAM中讀出。

對于使用異步雙口RAM來處理多bit數據的跨時鐘域,相信大家還是可以理解的。當然,在能使用異步雙口RAM來處理跨時鐘域的場景中,也可以使用異步FIFO來達到同樣的目的。

第三種方法:格雷碼轉換

對于第三種方法,Kevin在大學里邊從沒接觸過,也是在工作中才接觸到。

我們依然繼續使用介紹第二種方法中用到的ADC例子,將ADC采樣的數據寫入RAM時,需要產生RAM的寫地址,但我們讀出RAM中的數據時,肯定不是一上電就直接讀取,而是要等RAM中有ADC的數據之后才去讀RAM。這就需要100MHz的時鐘對RAM的寫地址進行判斷,當寫地址大于某個值之后再去讀取RAM。

在這個場景中,其實很多人都是使用直接用100MHz的時鐘于RAM的寫地址進行打兩拍的方式,但RAM的寫地址屬于多bit,如果單純只是打兩拍,那不一定能確保寫地址數據的每一個bit在100MHz的時鐘域變化都是同步的,肯定有一個先后順序。如果在低速的環境中不一定會出錯,在高速的環境下就不一定能保證了。所以更為妥當的一種處理方法就是使用格雷碼轉換。

對于格雷碼,相鄰的兩個數間只有一個bit是不一樣的(格雷碼,在本文中不作詳細介紹),如果先將RAM的寫地址轉為格雷碼,然后再將寫地址的格雷碼進行打兩拍,之后再在RAM的讀時鐘域將格雷碼恢復成10進制。這種處理就相當于對單bit數據的跨時鐘域處理了。對于格雷碼與十進制互換的代碼,僅提供給大家作參考:

65c5065e-13d8-11ec-8fb8-12bb97331649.png

代碼使用的是函數的形式,方便調用,op表示編碼或者譯碼,WADDRWIDTH和RADDRWIDTH表示位寬。

編輯:jq

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原文標題:解決跨時鐘域問題的三大方法

文章出處:【微信號:gh_9d70b445f494,微信公眾號:FPGA設計論壇】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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