【Verilog-CBB】开发与验证（2）——单比特信号CDC同步器

在路上-正出发2024-08-04 8:55

引言

多时钟域的设计中，CDC处理的场景还是蛮多的。单比特信号在CDC时，为保证信号采样的安全性，降低亚稳态，必须要对信号做同步处理。CDC从时钟的快慢关系来说分为两种case：快到慢、慢到快。对于脉冲型的控制信号，在以上两种case中都需要满足如下条件才能保证控制信号CDC的安全性：

源端控制信号的脉冲宽度>1.5倍目的端时钟周期 （即 "三时钟沿" 要求）。

一般建议以上条件中1.5增大为2。

在设计同步器时需要注意，源端控制信号必须为寄存器输出。否则组合逻辑的毛刺可能会影响目的端的采样。

CBB设计源码

这个功能相对来说比较简单，就不扯框图和原理了，直接上代码。

cpp 复制代码 
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// CBB Module Name    :CBB_PULSE_SYNCHRONIZER
// CBB Created Date   :2024-08-02
// CBB Module Function:单比特脉冲信号跨时钟域处理
// Usage Limitation   :
// Author             :在路上-正出发
// -----------------------------------------------------------------------------------------------
// -----------------------------------------------------------------------------------------------

`timescale 1ns/1ps


module  CBB_PULSE_SYNCHRONIZER #(
// ---- parameter define
parameter P_EXTEN_EN		= "ENABLE",  //"ENABLE" or "DISABLE"
parameter P_EXTEN_MULT 		= 3,	     //2 or larger
parameter P_SYNC_STAGE 		= 2,	     //2 or larger
parameter P_PULSE_WIDTH     = "CARE-1"   //"CARE-1" or "NOTCARE"
)(
// ---- port define 
input 							i_clk_src,
input 							i_rstn_src,
input 							i_pulse_src,//must be register output(source clk)

input 							i_clk_dst,
input 							i_rstn_dst,
output 							o_pulse_dst

);

reg [P_EXTEN_MULT-2:0] 			r_pluse_src_dly;
reg 				   			r_pulse_exten;
reg [P_SYNC_STAGE-1:0]			r_pulse_sync;

generate
	if(P_EXTEN_EN == "ENABLE")
	begin
		if(P_EXTEN_MULT <= 2)
		begin
			always @(posedge i_clk_src or negedge i_rstn_src) begin : proc_pulse_exten1
				if(~i_rstn_src) begin
					 r_pluse_src_dly <= {(P_EXTEN_MULT-1){1'b0}};
				end else begin
					 r_pluse_src_dly <= {i_pulse_src};
				end
			end
			always @(posedge i_clk_src or negedge i_rstn_src) begin : proc_pulse_exten2
				if(~i_rstn_src) begin
					 r_pulse_exten <= 1'b0;
				end else begin
					 r_pulse_exten <= |{r_pluse_src_dly,i_pulse_src};
				end
			end
			always @(posedge i_clk_dst or negedge i_rstn_dst) begin : proc_pulse_sync
				if(~i_rstn_dst) begin
					 r_pulse_sync <= {(P_SYNC_STAGE){1'b0}};
				end else begin
					 r_pulse_sync <= {r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-2:0],r_pulse_exten};
				end
			end			
	    end
	    else
	    begin
			always @(posedge i_clk_src or negedge i_rstn_src) begin : proc_pulse_exten
				if(~i_rstn_src) begin
					 r_pluse_src_dly <= {(P_EXTEN_MULT-1){1'b0}};
				end else begin
					 r_pluse_src_dly <= {r_pluse_src_dly[P_EXTEN_MULT-3:0],i_pulse_src};
				end
			end
			always @(posedge i_clk_src or negedge i_rstn_src) begin : proc_pulse_exten2
				if(~i_rstn_src) begin
					 r_pulse_exten <= 1'b0;
				end else begin
					 r_pulse_exten <= |{r_pluse_src_dly,i_pulse_src};
				end
			end
			always @(posedge i_clk_dst or negedge i_rstn_dst) begin : proc_pulse_sync
				if(~i_rstn_dst) begin
					 r_pulse_sync <= {(P_SYNC_STAGE){1'b0}};
				end else begin
					 r_pulse_sync <= {r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-2:0],r_pulse_exten};
				end
			end
	    end
	end
	else
	begin
		always @(posedge i_clk_dst or negedge i_rstn_dst) begin : proc_pulse_sync
			if(~i_rstn_dst) begin
				 r_pulse_sync <= {(P_SYNC_STAGE){1'b0}};
			end else begin
				 r_pulse_sync <= {r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-2:0],i_pulse_src};
			end
		end		
	end
endgenerate

generate
	if(P_PULSE_WIDTH == "CARE-1")
	begin
		assign o_pulse_dst = r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-2] & (~r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-1]); 
	end
	else
	begin
		assign o_pulse_dst = r_pulse_sync[P_SYNC_STAGE-1];
	end
endgenerate

endmodule

CBB使用说明

P_EXTEN_EN：需要进行脉冲展宽时，将使能开关打开；

P_EXTEN_MULT：表示脉冲在源时钟域被展宽的倍数，这个倍数需要使用者根据上述1.5或2倍关系折算。

P_SYNC_STAGE：表示目的时钟域打拍的级数。

P_PULSE_WIDTH："CARE-1"表示，目的侧时钟域输出的脉冲宽度为1个时钟周期；"NOTCARE"则表示目的侧打拍直接输出，不取边沿。

【注意】输入信号i_pulse_src必须为寄存器输出。

CBB验证

CASE1：快--->慢（使能脉冲展宽，3倍）

CASE2：慢--->快（不使能脉冲展宽）

验证代码

cpp 复制代码 
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//                                    Common Building Block
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// CBB Module Name    :TB_PULSE_SYNCHRONIZER
// CBB Created Date   :2024-08-03
// CBB Module Function:
// Usage Limitation   :
// Author             :在路上-正出发
// -----------------------------------------------------------------------------------------------
// -----------------------------------------------------------------------------------------------

`timescale 1ns/1ps

// `define TC_FAST_2_LOW
`define TC_LOW_2_FAST

module TB_PULSE_SYNCHRONIZER ();
// ---- parameter define
parameter P_EXTEN_EN		= "DISABLE"; //"ENABLE" or "DISABLE"
parameter P_EXTEN_MULT 		= 3;	    //2 or larger
parameter P_SYNC_STAGE 		= 2;	    //2 or larger
parameter P_PULSE_WIDTH     = "CARE-1"; //"CARE-1" or "NOTCARE"

// ---- port define 
reg 							i_clk_src;
reg 							i_rstn_src;
reg 							i_pulse_src;//must be register output(source clk)

reg  							i_clk_dst;
reg  							i_rstn_dst;
wire 							o_pulse_dst;

// 产生时钟
`ifdef TC_FAST_2_LOW
initial i_clk_src = 1'b0;
always #5 i_clk_src = ~i_clk_src;
initial i_clk_dst = 1'b0;
always #10 i_clk_dst = ~i_clk_dst;
`endif

`ifdef TC_LOW_2_FAST
initial i_clk_src = 1'b0;
always #10 i_clk_src = ~i_clk_src;
initial i_clk_dst = 1'b0;
always #5 i_clk_dst = ~i_clk_dst;
`endif

// 
initial
begin
	i_rstn_src = 1'b0;
	i_rstn_dst = 1'b0;
	i_pulse_src = 1'b0;
	#100;
	i_rstn_dst = 1'b1;
	i_rstn_src = 1'b1;
	#50;
	@(posedge i_clk_src)
	i_pulse_src <= 1'b1;
	@(posedge i_clk_src)
	i_pulse_src <= 1'b0;

	@(negedge o_pulse_dst);
	#200;
	$finish;
end

CBB_PULSE_SYNCHRONIZER #(
		.P_EXTEN_EN(P_EXTEN_EN),
		.P_EXTEN_MULT(P_EXTEN_MULT),
		.P_SYNC_STAGE(P_SYNC_STAGE),
		.P_PULSE_WIDTH(P_PULSE_WIDTH)
	) U_CBB_PULSE_SYNCHRONIZER (
		.i_clk_src   (i_clk_src),
		.i_rstn_src  (i_rstn_src),
		.i_pulse_src (i_pulse_src),
		.i_clk_dst   (i_clk_dst),
		.i_rstn_dst  (i_rstn_dst),
		.o_pulse_dst (o_pulse_dst)
	);



endmodule

CBB电路综合

使能脉冲展宽

源时钟域下，控制信号经多拍延迟，源信号与延迟信号经过或门输出，输出的信号在源时钟域寄存输出，目的测时钟域对展宽的信号做打拍处理，取上升沿输出。

不使能脉冲展宽

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