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    跨時(shí)鐘域傳遞位數(shù)據(jù)的同步方法

    2020-10-12 09:20:10高煥琦岳亞杰高俊鋒
    現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2020年24期
    關(guān)鍵詞:亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)觸發(fā)器

    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)。

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    FPGA設(shè)計(jì)中跨時(shí)鐘域的問題與方法
    主從JK觸發(fā)器邏輯功能分析
    電子世界(2017年22期)2017-12-02 03:03:45
    同位控制猝發(fā)總線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    使用觸發(fā)器,強(qiáng)化安全性
    基于小波變換通信數(shù)據(jù)信號(hào)的分析與研究
    非對(duì)稱反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中亞穩(wěn)態(tài)的位置與穩(wěn)定性
    對(duì)觸發(fā)器邏輯功能轉(zhuǎn)換的分析
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