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)begin
pluse_s_ff1 <= pluse_s ;
pluse_s_ff2 <= pluse_s_ff1 ;
end
assign 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/1ns
module 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) begin
pulse_f_ff <= {pulse_f_ff[1:0],pulse_f} ;
end
wire 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) begin
pulse_s_ff1 <= pulse_s_w ;
pulse_s_ff2 <= pulse_s_ff1 ;
end
assign 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/1ns
module 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) begin if(pulse_f)begin pulse_f_flag <= ~pulse_f_flag ; end else begin pulse_f_flag <= pulse_f_flag ; end end reg 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) begin pulse_f_ff1 <= pulse_f_flag ; pulse_f_ff2 <= pulse_f_ff1 ; pulse_s_ff3 <= pulse_f_ff2 ; end assign 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 ) begin
gray_data_ff1 <= gray_data ;
gray_data_ff2 <= gray_data_ff1 ;
end
//格雷码2二进制
integer i;
always @(*) begin
out_data[3] <= gray_data_ff2[3];
for(i=2;i>=0;i=i-1) begin
out_data[i] = (gray_data_ff2[i] ^ out_data[i+1]);
end
end
assign 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
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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)begin if(!rst_n)begin data_in_ff1 <= 'd0; valid_in_ff1 <= 'd0; end else begin data_in_ff1 <= data_in; valid_in_ff1 <= valid_in ; end end reg valid_in_ff2; reg valid_in_ff3; //valid信号在慢时钟域打两拍 always @(posedge clk_s)begin if(!rst_n)begin valid_in_ff2<= 'd0; valid_in_ff3<= 'd0; end else begin valid_in_ff2<= valid_in_ff1 ; valid_in_ff3<= valid_in_ff2 ; end end //选择器(MUX) reg [DATA_WIDTH-1 : 0] data_out_ff1; reg valid_out_ff1; always @(posedge clk_s)begin if(!rst_n)begin data_out_ff1<= 'd0; valid_out_ff1 <= 'd0; end else if(valid_in_ff3) begin data_out_ff1 <= data_in_ff1; valid_out_ff1 <= 'd1; end else begin data_out_ff1 <= data_out_ff1; valid_out_ff1 <= 'd0; end end assign data_out = data_out_ff1; assign valid_out = valid_out_ff1 ;endmodule