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異步電路的跨時鐘域處理

冬至子 ? 來源:數字IC自修室 ? 作者:L.L. ? 2023-06-27 10:32 ? 次閱讀

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異步電路的界定

異步電路不能根據時鐘是否同源來界定,時鐘之間沒有確定的相位關系是唯一準則。 比如同一個時鐘源如果經過pll分出33MHZ和50MHZ 的兩個時鐘,他們的相位關系會時鐘變化的變化,那么他們驅動的電路也屬于異步電路。

2

跨時鐘域處理不當的危害和解決方案

1. 亞穩態

異步系統交互時會出現亞穩態,如果直接使用亞穩態信號,或者因處理不當導致其傳播,會使整個系統結果不可預期。合理的異步電路同步器設計可以有效降低亞穩態出現的概率,但其是不可能被完全消除的。而亞穩態出現的概率和器件工藝,時鐘頻率,信號頻率和同步器結構都有關系。

解決方案:

  1. 使用合適的同步器,包括但不限于:1bit多級打拍同步(電平信號,脈沖信號),多bit格雷碼轉換打拍同步,多bit Dmux同步,握手協議同步,異步FIFO同步。
  2. 若是打拍同步,需要根據工藝以及頻率選擇合適的打拍級數

2. 毛刺

異步系統交互時如果上游模塊有信號毛刺,不當的處理會使其傳播并被下游異步模塊采樣,可能會導致下游功能錯誤。同步系統內有setup檢查保證毛刺在被采樣前有足夠的時間的消除,而異步電路只能靠設計保證毛刺不被傳播和誤采樣。

解決方案:

  1. 上游待同步信號寄存器輸出過濾毛刺
  2. 待同步信號的輸出寄存器和同步器之間不能存在任何組合邏輯

3. 漏采、誤采

異步系統交互時如果處理不當,可能會造成下游對傳播信號漏采樣或者誤采樣。

解決方案:

  1. 明確系統間的頻率關系,采用合適的同步器
  2. 單bit待采集信號要進行位寬確認和拓展(快->慢),一般要保證信號寬度大于采集時鐘加上一個margin(依據經驗而定,來源是采集時鐘域的setup,hold,skew,jitter等)
  3. 多bit信號不能直接打拍采樣,通過格雷碼或者握手,異步fifo等其他結構的同步器。

4. 再匯集

有相互關系的上游信號經過了異步處理之后到達另一個時鐘域的時間是不可預期的,那么他們再次匯聚的時候會出現與預期功能不一致的錯誤。這又被稱為再收斂(reconverge)錯誤。

解決方案:

  1. 多個1bit信號待同步時,必須在原時鐘域完成組合匯聚和寄存處理,不能分別同步到另一個時鐘域再匯聚
  2. 同源信號復制跨時鐘域時,需要先進行跨時鐘域,再進行復制。

5. 異步復位

如果處理不當或者沒有做好相應時序檢查,復位功能會有問題。

解決方案:

  1. 采用穩定的復位邏輯單元(普遍使用經典的異步復位同步釋放結構)
  2. 做好recovery-removal檢查
  3. 保證對接模塊的異步復位不相互影響

3

異步電路跨時鐘域的設計檢查

  1. 明確設計規格,做好代碼review
  2. 做好Clock-Domain-Crossing(CDC)檢查
  3. 有條件的做好FPGA,EMU和后仿檢查確認
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