fpga系列 HDL:跨时钟域同步 脉冲展宽同步 Pulse Synchronization

Pulse Synchronization

  • 脉冲同步(Pulse Synchronization)是 FPGA 设计中处理跨时钟域信号传输的常见问题和关键细节。
  • 由于不同步的时钟域之间可能存在相位差或频率差异,可能会导致亚稳态问题或数据丢失。
  • 脉冲同步的主要目标是确保一个时钟域中的脉冲信号能够在另一个时钟域安全接收。

脉冲同步代码实现

复制代码
module nocdc (
    input wire clk_src,      // 源时钟域时钟(快时钟)
    input wire clk_dst,      // 目标时钟域时钟(慢时钟)
    input wire rst_n,        // 异步复位信号(低电平有效)
    input wire pulse_in,     // 源时钟域输入脉冲
    output reg pulse_out     // 目标时钟域输出脉冲
);

    // 在源时钟域中对脉冲进行展宽
    reg pulse_in_sync;
    always @(posedge clk_src or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)
            pulse_in_sync <= 0;
        else
            pulse_in_sync <= pulse_in ^ pulse_in_sync; // 展宽脉冲
    end

	 // 双触发同步
    
    reg sync_ff1;
	 reg sync_ff2;
    always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)begin
            sync_ff1 <= 0;
				sync_ff2 <= 0;
        end
		  else begin
            sync_ff1 <= pulse_in_sync;// 第一级同步触发器
				sync_ff2 <= sync_ff1;     // 第二级同步触发器
		  end
    end
    
    // 边沿检测
	 reg sync_ff3;
    always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)
            sync_ff3 <= 0;
        else
            sync_ff3 <= sync_ff2;
    end

    // 输出脉冲
    always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)
            pulse_out <= 0;
        else
            pulse_out <= sync_ff3 ^ sync_ff2;
    end
	 
endmodule

.vt 激励文件

复制代码
`timescale 1 ps/ 1 ps

module nocdc_vlg_tst;

    // 输入信号
    reg clk_src;          // 源时钟域时钟
    reg clk_dst;          // 目标时钟域时钟
    reg rst_n;            // 异步复位信号(低电平有效)
    reg pulse_in;         // 源时钟域输入脉冲

    // 输出信号
    wire pulse_out;       // 目标时钟域输出脉冲

    // 实例化被测模块
    nocdc uut (
        .clk_src(clk_src),
        .clk_dst(clk_dst),
        .rst_n(rst_n),
        .pulse_in(pulse_in),
        .pulse_out(pulse_out)
    );

    // 时钟生成:源时钟域时钟
    initial begin
        clk_src = 0;
        forever #5 clk_src = ~clk_src; // 100MHz (周期为 10ns)
    end

    // 时钟生成:目标时钟域时钟
    initial begin
        clk_dst = 0;
        forever #8 clk_dst = ~clk_dst; // 62.5MHz (周期为 16ns)
    end

    // 测试过程
    initial begin
        // 初始化信号
        rst_n = 0;          // 复位信号初始为低电平
        pulse_in = 0;       // 输入脉冲初始为低电平
        #20;
        rst_n = 1;          // 释放复位信号

		  
        // 等待一段时间观察输出
        #50;

        // 测试用例 2:连续多个脉冲
        #30;
        pulse_in = 1;       // 第一个脉冲
        #10;
        pulse_in = 0;
		  
        #50;
		  
        pulse_in = 1;       // 第二个脉冲
        #10;
        pulse_in = 0;

        // 等待一段时间观察输出
        #100;

        // 结束仿真
        $stop;
    end

endmodule

CG

  • 如果输入脉冲过于窄(小于源时钟周期),可能会导致展宽失败。

  • 单个脉冲也能进行展宽

  • 还可以根据需求选择上升沿或下降沿

    module nocdc (
    input wire clk_src, // 源时钟域时钟(快时钟)
    input wire clk_dst, // 目标时钟域时钟(慢时钟)
    input wire rst_n, // 异步复位信号(低电平有效)
    input wire pulse_in, // 源时钟域输入脉冲
    output reg pulse_out // 目标时钟域输出脉冲
    );

    复制代码
      // 在源时钟域中对脉冲进行展宽
      reg pulse_in_sync;
      always @(posedge clk_src or negedge rst_n) begin
          if (!rst_n)
              pulse_in_sync <= 0;
          else
              pulse_in_sync <= pulse_in ^ pulse_in_sync; // 展宽脉冲
      end
    
       // 双触发同步
      
      reg sync_ff1;
       reg sync_ff2;
      always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
          if (!rst_n)begin
              sync_ff1 <= 0;
      			sync_ff2 <= 0;
          end
      	  else begin
              sync_ff1 <= pulse_in_sync;// 第一级同步触发器
      			sync_ff2 <= sync_ff1;     // 第二级同步触发器
      	  end
      end
      
      // 边沿检测
       reg sync_ff3;
      always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
          if (!rst_n)
              sync_ff3 <= 0;
          else
              sync_ff3 <= sync_ff2;
      end
    
      
      wire sync_rise_edge = ~sync_ff2 & sync_ff3; // 上升沿检测
      wire sync_fall_edge = sync_ff2 & ~sync_ff3; // 下降沿检测
    
      // 输出脉冲
      always @(posedge clk_dst or negedge rst_n) begin
          if (!rst_n)
              pulse_out <= 0;
          else
              pulse_out <= sync_rise_edge; // 还可以根据需求选择上升沿或下降沿
      end

    endmodule

相关推荐
cmc10289 小时前
134.FPGA常见管脚与时钟的约束方法
fpga开发
第二层皮-合肥14 小时前
AD导出FPGA管脚的方法
fpga开发
ehiway17 小时前
国际先进!中科亿海微国产嵌入式FPGA IP核及EDA系统设计技术通过科技成果评价
网络协议·tcp/ip·fpga开发
北城笑笑17 小时前
FPGA 49 ,Xilinx Vivado 软件术语解析(Vivado 界面常用英文字段详解,以及实际应用场景和注意事项 )
fpga开发·fpga
XINVRY-FPGA21 小时前
XCAU10P-2SBVB484I Xilinx Artix UltraScale+ FPGA
嵌入式硬件·fpga开发·云计算·硬件工程·dsp开发·射频工程·fpga
bnsarocket1 天前
Verilog和FPGA的自学笔记7——流水灯与时序约束(XDC文件的编写)
笔记·fpga开发
ARM+FPGA+AI工业主板定制专家1 天前
基于ZYNQ的目标检测算法硬件加速器优化设计
人工智能·目标检测·计算机视觉·fpga开发·自动驾驶
cycf1 天前
时钟特性约束(四)
fpga开发
江苏学蠡信息科技有限公司2 天前
STM32中硬件I2C的时钟占空比
stm32·单片机·fpga开发
OliverH-yishuihan2 天前
FPGA 入门 3 个月学习计划表
学习·fpga开发