跨時(shí)鐘域傳遞位數(shù)據(jù)的同步方法

高煥琦，岳亞杰，高俊鋒

（哈爾濱理工大學(xué)軟件與微電子學(xué)院，哈爾濱150080）

0 引言

隨著微電子制造工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字集成電路（Integrated Circuit，IC）的集成度也越來(lái)越高。為了提高電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，數(shù)字集成電路芯片集成的功能也越來(lái)越多，逐漸向著系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SoC）的趨勢(shì)發(fā)展[1]。系統(tǒng)級(jí)芯片也被稱為片上系統(tǒng)，它是將各種不同功能的模塊集成到一塊芯片上。從設(shè)計(jì)角度上來(lái)說(shuō)，片上系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為了滿足不同功能模塊的工作需求，片上系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)源通常被劃分為若干個(gè)時(shí)鐘域（Clock Domain，CD）。通常情況下，功能模塊不同，它們工作的時(shí)鐘信號(hào)也不相同[2]。截至目前，采用單時(shí)鐘域的片上系統(tǒng)已經(jīng)非常少見，通常它的內(nèi)部都集成了多種時(shí)鐘域[3]。不同時(shí)鐘域之間，時(shí)鐘信號(hào)既可能是相關(guān)的，也可能是互不關(guān)聯(lián)的。如果兩種時(shí)鐘信號(hào)之間存在數(shù)據(jù)傳遞通道，那么就會(huì)存在跨時(shí)鐘域（Clock Domain Crossing，CDC）問題[4]。

如果數(shù)字信號(hào)在跨越不同時(shí)鐘信號(hào)傳遞的時(shí)候，它就會(huì)被對(duì)方時(shí)鐘域視為異步信號(hào)。如果不能很好地對(duì)這種異步信號(hào)進(jìn)行處理，那么它就會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電路系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。隨著大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)的現(xiàn)象也越來(lái)越常見。因此，研究數(shù)據(jù)信號(hào)在不同時(shí)鐘域之間的傳遞問題，已經(jīng)成為數(shù)字集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[5]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保持?jǐn)?shù)據(jù)同步能夠在很大程度上保證數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性，這也是保障系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的必要條件。

在片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，跨時(shí)鐘域傳遞位數(shù)據(jù)的情況最普遍，這也是處理多數(shù)據(jù)信號(hào)跨時(shí)鐘域傳遞的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本文以位信號(hào)為研究對(duì)象，探討跨時(shí)鐘域傳遞位數(shù)據(jù)問題的根源。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同情況，探索各種可行的解決方案。

1 跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的電路模型

在數(shù)字集成電路系統(tǒng)中，無(wú)論在片上系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間，還是在片上系統(tǒng)與外部設(shè)備之間，往往都需要進(jìn)行通訊[6]。模塊A 向模塊B 傳送數(shù)字信號(hào)A，同時(shí)接收來(lái)自模塊B 的數(shù)字信號(hào)B，如圖1 所示。在大多數(shù)情況下，模塊A 和模塊B 屬于不同功能的模塊，且工作在不同的時(shí)鐘域。

眾所周知，數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和傳遞都是由觸發(fā)器來(lái)完成。無(wú)論數(shù)字信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的傳遞過(guò)程有多么復(fù)雜，它最終都是通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)器來(lái)完成數(shù)據(jù)交接。因此，跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的問題可以通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)器的電路模型來(lái)描述，如圖2 所示。在本質(zhì)上，研究解決跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的問題就轉(zhuǎn)化為解決兩個(gè)觸發(fā)器在不同時(shí)鐘信號(hào)下傳遞數(shù)據(jù)的問題。

圖2 跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳遞的電路模型

顯而易見，如果觸發(fā)器A 和觸發(fā)器B 的時(shí)鐘都來(lái)自相同的時(shí)鐘源或同一個(gè)時(shí)鐘域，那么就不存在跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的問題。因此，跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的問題根源是時(shí)鐘信號(hào)之間存在顯著差異。根據(jù)時(shí)鐘差異的不同特點(diǎn)，跨時(shí)鐘域的問題又可近一步劃分為同步跨時(shí)鐘域（Synchronous Clock Domain Crossings，SCDC）和異步跨時(shí)鐘域（Asynchronous Clock Domain Crossings，ACDC）兩種情況。

所謂同步跨時(shí)鐘域，它是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)之間存在某種同步關(guān)系，即兩者時(shí)鐘信號(hào)之間是相關(guān)的，存在著固定的頻率和相位關(guān)系。例如，一個(gè)時(shí)鐘與它自身的分頻時(shí)鐘就具有固定的相位關(guān)系，在它們之間傳遞數(shù)據(jù)就屬于同步跨時(shí)鐘域的情況。與之對(duì)應(yīng)，如果觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)之間沒有必然的聯(lián)系，那么就無(wú)法預(yù)知兩者之間的關(guān)系，在它們之間傳遞數(shù)據(jù)就屬于異步跨時(shí)鐘域的情況。對(duì)于絕大多數(shù)集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，異步跨時(shí)鐘域的情況非常普遍。因此，異步跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳遞的處理方法是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

2 跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)問題的提出

在圖2 的電路模型中，假定Aclk 與Bclk 來(lái)自不同時(shí)鐘域，如果觸發(fā)器A 輸出的信號(hào)data 到達(dá)觸發(fā)器B的時(shí)間沒有滿足觸發(fā)器B 的時(shí)序要求，例如建立時(shí)間（Setup Time，Tsu）或保持時(shí)間 Hold Time，Th），那么輸出信號(hào)Bdata 就會(huì)出現(xiàn)一種界于邏輯1 和邏輯0 之間的狀態(tài)[7]。這種狀態(tài)就被稱為亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象如圖3 所示。導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象發(fā)生的根本原因是觸發(fā)器B不能對(duì)輸入數(shù)據(jù)data 進(jìn)行有效采樣。換句話說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)data 尚未保持穩(wěn)定時(shí)，觸發(fā)器B 采樣的值是無(wú)效的。

圖3 亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象

亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象發(fā)生的幾率決定了數(shù)字集成電路系統(tǒng)的可靠性，它可以通過(guò)平均無(wú)故障時(shí)間（Mean Time Between Failures，MTBF）來(lái)評(píng)估。MTBF 表示觸發(fā)器采樣失敗的時(shí)間間隔，它與系統(tǒng)頻率和器件速度密切相關(guān)，它的計(jì)算方法如公式（1）所示。

其中，fMET是觸發(fā)器能夠在亞穩(wěn)態(tài)輸出而不會(huì)引起故障的最長(zhǎng)時(shí)間，即有效的亞穩(wěn)態(tài)最大分辨時(shí)間；fclk是觸發(fā)器的時(shí)鐘頻率；fdata是輸入數(shù)據(jù)的變化頻率；C1和C2是與觸發(fā)器相關(guān)的具體參數(shù)，它們通常是由觸發(fā)器電氣特性決定的常數(shù)，用于表征觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)速度的快慢。

由此可見，亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象是在數(shù)字集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)法避免的問題，它是由于觸發(fā)器的固有屬性造成的結(jié)果。如果設(shè)計(jì)方案的MTBF 值很大，那么該方案就被認(rèn)為是可行的，設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)在實(shí)際工作中能夠正常運(yùn)行。否則，設(shè)計(jì)方案就會(huì)因?yàn)榇嬖趪?yán)重的亞穩(wěn)態(tài)問題，而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至可能無(wú)法正常工作。

3 跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的處理方法

為了盡可能減少發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的可能性，研究跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳遞問題的解決方法就顯得尤為重要。對(duì)某一個(gè)時(shí)鐘域來(lái)說(shuō)，它在操作輸入的異步數(shù)據(jù)信號(hào)之前，必須首先對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理，使異步信號(hào)變成本時(shí)鐘域的同步信號(hào)，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的功能處理。這種處理方法是集成電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種同步處理技術(shù)，它能夠在很大程度上減少亞穩(wěn)態(tài)的傳播，增強(qiáng)數(shù)字集成電路系統(tǒng)的可靠性[8-10]?？鐣r(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)的問題非常復(fù)雜，因此數(shù)據(jù)信號(hào)同步處理的方法也不盡相同。根據(jù)跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的方向，同步處理方法大致分為單向同步和雙向同步[11]。

3.1 單向同步的處理方法

在某個(gè)時(shí)鐘域電路中，如果該電路僅僅對(duì)外部輸入的異步數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行同步處理，那么這種情況就屬于單向同步。單向同步的處理方法是一種最基本的同步處理技術(shù)，它主要包含了電平同步法、邊沿同步法和脈沖同步法三種方法。

（1）電平同步法

電平同步法也被稱為雙鎖存器法，它的電路原理如圖4 所示。在時(shí)鐘域A 中，數(shù)據(jù)信號(hào)Adata 經(jīng)過(guò)最后一級(jí)觸發(fā)器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)data。數(shù)據(jù)信號(hào)data 直接進(jìn)入時(shí)鐘域B，中間不能存在任何組合邏輯電路。接著，在時(shí)鐘域B 中連續(xù)使用兩個(gè)觸發(fā)器來(lái)鎖存data 信號(hào)，并將同步后的數(shù)據(jù)信號(hào)Bdata 傳遞給時(shí)鐘域B 中的后續(xù)電路。

圖4 電平同步法

使用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)電平同步法的關(guān)鍵代碼如下所示：

當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)從慢時(shí)鐘域電路向快時(shí)鐘域電路傳遞時(shí)，它的電路時(shí)序仿真如圖5 所示。從本質(zhì)上看，電平同步法并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)，而是減少了亞穩(wěn)態(tài)的傳播。理論研究表明：這種同步方法可以將亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)幾率降低到很小，使得MTBF 盡可能大，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 電路時(shí)序仿真圖

當(dāng)從快時(shí)鐘域電路傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)到慢時(shí)鐘域電路時(shí)，由于快時(shí)鐘域中信號(hào)Adata 的寬度可能小于慢時(shí)鐘域電路的一個(gè)采樣周期，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)Adata不能被來(lái)自慢時(shí)鐘域電路的時(shí)鐘有效采樣。如果快時(shí)鐘域電路的時(shí)鐘頻率是慢時(shí)鐘域電路的時(shí)鐘頻率N 倍時(shí)，那么快時(shí)鐘域電路輸出信號(hào)的寬度至少在快時(shí)鐘域中保持N 個(gè)時(shí)鐘周期。

（2）邊沿同步法

在某些實(shí)際應(yīng)用中，同步輸出信號(hào)Bdata 并不一定與輸入信號(hào)Adata 在波形上保持一致，而是一個(gè)與數(shù)據(jù)信號(hào)Adata 變化保持同步的脈沖信號(hào)。在這種情況下，同步處理方法通常采用邊沿同步法，其中上升沿同步的電路原理如圖6 所示。

圖6 邊沿同步法

從圖中可以看出，邊沿同步法是在電平同步法基礎(chǔ)上，對(duì)后續(xù)時(shí)鐘域電路增加了一部分邊沿處理電路。每當(dāng)Adata 出現(xiàn)上升沿的時(shí)候，Bdata 就輸出一個(gè)同步脈沖信號(hào)。使用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)邊沿同步法的關(guān)鍵代碼如下所示：

上升沿同步電路的時(shí)序仿真如圖7 所示，從仿真波形上可以看出，邊沿同步法也通常適用于從慢時(shí)鐘域電路向快時(shí)鐘域電路傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)的情況。在輸出信號(hào)上，邊沿同步法輸出的是同步脈沖信號(hào)，而電平同步法出的是同步電平信號(hào)。

圖7 電路時(shí)序仿真圖

（3）脈沖同步法

從前面的分析可以得知：從快時(shí)鐘域電路傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)到慢時(shí)鐘域電路的時(shí)候，直接使用電平同步法和邊沿同步法就不能滿足同步處理的前提條件，可能存在采樣失效的問題。為了解決這種問題，必須保證前級(jí)時(shí)鐘域電路輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)必須具有足夠長(zhǎng)的保持時(shí)間，即至少在后級(jí)時(shí)鐘域電路中保持一個(gè)時(shí)鐘周期。在這種情況下，通常采用脈沖同步法，它的電路原理如圖8 所示。

圖8 脈沖同步法

從圖中可以看出，脈沖同步法是在邊沿同步法基礎(chǔ)上，對(duì)前面時(shí)鐘域電路增加了一部分邊沿處理電路。脈沖同步法首先將前級(jí)時(shí)鐘域電路的觸發(fā)器輸入數(shù)據(jù)Adata 由電平信號(hào)處理成一個(gè)時(shí)鐘周期的脈沖信號(hào)，接著對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)鎖存，輸出數(shù)據(jù)Toogle 具有足夠長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，使之能夠被后續(xù)時(shí)鐘域電路中的時(shí)鐘Bclk 進(jìn)行有效采樣。因此，脈沖同步法并不關(guān)心兩個(gè)時(shí)鐘域之間的關(guān)系，它可以適用于任何時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳遞。使用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖同步法的關(guān)鍵代碼如下所示：

脈沖同步電路的時(shí)序仿真如圖9 所示，從時(shí)序分析可以得出：跨時(shí)鐘域信號(hào)Adata 相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的間隔至少為后續(xù)時(shí)鐘域電路的兩個(gè)時(shí)鐘周期以上。同步輸出數(shù)據(jù)信號(hào)Bdata 也是脈沖信號(hào)，它與Adata 的變化保持一致。

圖9 電路時(shí)序仿真圖

3.2 雙向同步處理方法

所謂雙向同步是指一個(gè)時(shí)鐘域電路不僅對(duì)來(lái)自異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行同步處理，還要向原時(shí)鐘域返回同步數(shù)據(jù)信號(hào)。據(jù)反饋信號(hào)的類型，雙向同步方法主要分為信號(hào)同步法和握手同步法兩種類型。從本質(zhì)上說(shuō)，雙向同步處理方法是建立在單向同步方法的基礎(chǔ)上。

（1）信號(hào)同步法

在某些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳遞之前通常要判斷異步時(shí)鐘域電路反饋的狀態(tài)標(biāo)志。只有得到異步時(shí)鐘域電路的允許，它才會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。在同步數(shù)據(jù)輸出之前，向原時(shí)鐘域返回?cái)?shù)據(jù)當(dāng)前接收狀態(tài)的標(biāo)識(shí)。這種情況通常采用信號(hào)同步法，信號(hào)同步法的典型應(yīng)用如圖10 所示。

圖10 信號(hào)同步法的功能圖

使用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步法的關(guān)鍵代碼如下所示：

從功能圖和實(shí)現(xiàn)代碼可以分析出：時(shí)鐘域A 首先鎖存了Adata 和Alag 的異或值，然后再將它輸出到時(shí)鐘域B 進(jìn)行同步處理。在同步處理過(guò)程中，它采用了脈沖同步法。接著時(shí)鐘域B 又將同步后的數(shù)據(jù)重新返回到時(shí)鐘域A 中，同時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)Aflag。在返回狀態(tài)標(biāo)志時(shí)，它采用了邊沿同步法，返回一個(gè)脈沖信號(hào)Aflag。

（2）握手同步法

雖然信號(hào)同步法能夠保證時(shí)鐘域A 傳遞的數(shù)據(jù)能夠被時(shí)鐘域B 正確采樣或有效接收，但是如果時(shí)鐘域B 的功能處理電路比較復(fù)雜，可能出現(xiàn)以前接收的數(shù)據(jù)還沒有被完全處理，而即將處理新數(shù)據(jù)的情況。在這種情況下，通常采用握手同步法，它的典型應(yīng)用如圖11 所示。

圖11 握手同步法的功能圖

使用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)握手同步法的關(guān)鍵代碼如下所示：

首先，當(dāng)標(biāo)志信號(hào)Aflag 為低電平時(shí)，時(shí)鐘域A 聲明它的請(qǐng)求信號(hào)并鎖定Aflag 為高電平。接著時(shí)鐘域B 檢測(cè)到該請(qǐng)求信號(hào)有效后，聲明它的響應(yīng)信號(hào)Bstart，并鎖存Bflag 為高電平。當(dāng)時(shí)鐘域B 電路完成后續(xù)的功能處理后，返回完成狀態(tài)標(biāo)識(shí)Bend，同時(shí)清除Bflag 的鎖存標(biāo)志。Bend 被時(shí)鐘域A 同步處理為Aend，同時(shí)清零Aflag。握手同步法的關(guān)鍵代碼如下所示，其中Astart 和Bend 都必須是各自時(shí)鐘域中的脈沖信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中，異步電路之間的數(shù)據(jù)通信是一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)耐椒椒ú粌H能有效減少亞穩(wěn)態(tài)問題的傳播，還能顯著降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本。本文以位信號(hào)為研究對(duì)象，在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了跨時(shí)鐘域傳遞位數(shù)據(jù)問題的解決方法，即對(duì)跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。根據(jù)跨時(shí)鐘域傳遞數(shù)據(jù)的方向，同步處理方法大致分為單向同步和雙向同步。

電平同步法、邊沿同步法和脈沖同步法是三種基礎(chǔ)的單向同步處理方法。電平同步法連續(xù)使用兩級(jí)觸發(fā)器鎖存跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。使用這種同步方法的前提條件是輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘域要比接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘域更快的時(shí)鐘頻率。電平同步法可以降低亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)機(jī)率，增大MTBF 的數(shù)值，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。邊沿同步法是以電平同步法為核心，通過(guò)增加部分后級(jí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出脈沖信號(hào)與原數(shù)據(jù)信號(hào)在波形變化上保持一致。為了克服電平同步法的使用限制，脈沖同步法在邊沿同步法的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加部分前級(jí)電路來(lái)鎖存輸入的脈沖信號(hào)，從而使它可以適用于任何時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳遞。

信號(hào)同步法和握手同步法是兩種具有代表性的雙向同步方法。信號(hào)同步法僅僅關(guān)心后續(xù)時(shí)鐘域電路是否接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)，而并不理會(huì)后續(xù)時(shí)鐘域電路能否及時(shí)處理這些數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性和可靠性，握手同步法在信號(hào)同步法的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加處理狀態(tài)標(biāo)志來(lái)判斷是否繼續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)。