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[導(dǎo)讀]跨時鐘域處理是FPGA設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題,而如何處理好跨時鐘域間的數(shù)據(jù),可以說是每個FPGA初學(xué)者的必修課。如果是還在校生,跨時鐘域處理也是面試中經(jīng)常常被問到的一個問題。 這里主要介紹三種跨時鐘域處理的方法,這三種方法可以說是FPGA界最常用也最實用

時鐘域處理是FPGA設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題,而如何處理好跨時鐘域間的數(shù)據(jù),可以說是每個FPGA初學(xué)者的必修課。如果是還在校生,跨時鐘域處理也是面試中經(jīng)常常被問到的一個問題。


這里主要介紹三種跨時鐘域處理的方法,這三種方法可以說是FPGA界最常用也最實用的方法,這三種方法包含了單bit和多bit數(shù)據(jù)的跨時鐘域處理,學(xué)會這三招之后,對于FPGA相關(guān)的跨時鐘域數(shù)據(jù)處理便可以手到擒來。


這里介紹的三種方法跨時鐘域處理方法如下:


  1. 打兩拍;
  2. 異步雙口RAM;
  3. 格雷碼轉(zhuǎn)換。

01

方法一:打兩拍


大家很清楚,處理跨時鐘域的數(shù)據(jù)有單bit和多bit之分,而打兩拍的方式常見于處理單bit數(shù)據(jù)的跨時鐘域問題。

打兩拍的方式,其實說白了,就是定義兩級寄存器,對輸入的數(shù)據(jù)進行延拍。如下圖所示。


應(yīng)該很多人都會問,為什么是打兩拍呢,打一拍、打三拍行不行呢?

先簡單說下兩級寄存器的原理:兩級寄存是一級寄存的平方,兩級并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)危害,但是提高了可靠性減少其發(fā)生概率??偟膩碇v,就是一級概率很大,三級改善不大。

這樣說可能還是有很多人不夠完全理解,那么請看下面的時序示意圖:


data是時鐘域1的數(shù)據(jù),需要傳到時鐘域2(clk)進行處理,寄存器1和寄存器2使用的時鐘都為clk。假設(shè)在clk的上升沿正好采到data的跳變沿(從0變1的上升沿,實際上的數(shù)據(jù)跳變不可能是瞬時的,所以有短暫的跳變時間),那這時作為寄存器1的輸入到底應(yīng)該是0還是1呢?這是一個不確定的問題。所以Q1的值也不能確定,但至少可以保證,在clk的下一個上升沿,Q1基本可以滿足第二級寄存器的保持時間和建立時間要求,出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率得到了很大的改善。

如果再加上第三級寄存器,由于第二級寄存器對于亞穩(wěn)態(tài)的處理已經(jīng)起到了很大的改善作用,第三級寄存器在很大程度上可以說只是對于第二級寄存器的延拍,所以意義是不大的。

02

方法二:異步雙口RAM


處理多bit數(shù)據(jù)的跨時鐘域,一般采用異步雙口RAM。假設(shè)我們現(xiàn)在有一個信號采集平臺,ADC芯片提供源同步時鐘60MHz,ADC芯片輸出的數(shù)據(jù)在60MHz的時鐘上升沿變化,而FPGA內(nèi)部需要使用100MHz的時鐘來處理ADC采集到的數(shù)據(jù)(多bit)。在這種類似的場景中,我們便可以使用異步雙口RAM來做跨時鐘域處理。

先利用ADC芯片提供的60MHz時鐘將ADC 輸出的數(shù)據(jù)寫入異步雙口RAM,然后使用100MHz的時鐘從RAM中讀出。對于使用異步雙口RAM來處理多bit數(shù)據(jù)的跨時鐘域,相信大家還是可以理解的。當然,在能使用異步雙口RAM來處理跨時鐘域的場景中,也可以使用異步FIFO來達到同樣的目的。

03

方法三:格雷碼轉(zhuǎn)換


我們依然繼續(xù)使用介紹第二種方法中用到的ADC例子,將ADC采樣的數(shù)據(jù)寫入RAM時,需要產(chǎn)生RAM的寫地址,但我們讀出RAM中的數(shù)據(jù)時,肯定不是一上電就直接讀取,而是要等RAM中有ADC的數(shù)據(jù)之后才去讀RAM。這就需要100MHz的時鐘對RAM的寫地址進行判斷,當寫地址大于某個值之后再去讀取RAM。

在這個場景中,其實很多人都是使用直接用100MHz的時鐘與RAM的寫地址進行打兩拍的方式,但RAM的寫地址屬于多bit,如果單純只是打兩拍,那不一定能確保寫地址數(shù)據(jù)的每一個bit在100MHz的時鐘域變化都是同步的,肯定有一個先后順序。如果在低速的環(huán)境中不一定會出錯,在高速的環(huán)境下就不一定能保證了。所以更為妥當?shù)囊环N處理方法就是使用格雷碼轉(zhuǎn)換。

對于格雷碼,相鄰的兩個數(shù)間只有一個bit是不一樣的(格雷碼,在本文中不作詳細介紹),如果先將RAM的寫地址轉(zhuǎn)為格雷碼,然后再將寫地址的格雷碼進行打兩拍,之后再在RAM的讀時鐘域?qū)⒏窭状a恢復(fù)成10進制。這種處理就相當于對單bit數(shù)據(jù)的跨時鐘域處理了。

對于格雷碼與十進制互換的代碼,僅提供給大家作參考:


代碼使用的是函數(shù)的形式,方便調(diào)用,op表示編碼或者譯碼,WADDRWIDTH和RADDRWIDTH表示位寬。

-END-




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