0.引言

大四保研到實(shí)驗(yàn)室正好碰到師兄師姐們找工作，聽到的一些面試常問的內(nèi)容就是“跨時鐘域”、”異步處理“、”異步FIFO“等。然而我看的一些經(jīng)典的書籍都是這樣說的”異步電路很難設(shè)計(jì)，最好全部使用同步技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有寄存器器使用一個全局時鐘驅(qū)動“?？稍趯?shí)際項(xiàng)目中，我又發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中很難只使用一個時鐘，時鐘分頻邏輯、時鐘選擇多路器，除了多時鐘，有時還必須在兩個不同的時鐘間傳遞數(shù)據(jù)。也就是異步電路處理問題(兩個沒有特定關(guān)系的時鐘傳遞數(shù)據(jù)被認(rèn)為是異步的)。”異步電路很復(fù)雜“會有很多設(shè)計(jì)的不確定性。

1.亞穩(wěn)態(tài)

時序邏輯中大量使用D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的一般結(jié)構(gòu)是：兩個串聯(lián)的反相器加兩個傳輸門構(gòu)成鎖存器，兩個鎖存器串聯(lián)構(gòu)成D觸發(fā)器。D觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)電路，兩個穩(wěn)定狀態(tài)”1“、”0“。兩個反向器構(gòu)成的反饋回路可能會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

圖 1-1 兩個反向器反饋回路輸出特性

IC設(shè)計(jì)常見的異步電路處理故障

如圖1-1所示，當(dāng)電壓處于兩個曲線的交叉點(diǎn)時，在沒有任意外部干擾的情況下，電路將保持此狀態(tài)不變，也就是進(jìn)入了亞穩(wěn)態(tài)。實(shí)際電路不可能完全沒有外部干擾，在外部干擾下，電路可能會重新趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)。(ps：從特性曲線看，如果上升和下降斜率越大，電路能越快從亞穩(wěn)態(tài)電路中恢復(fù)過來。)圖 1-2 雙穩(wěn)態(tài)圖示

建立時間保持時間

建立時間：為了保證觸發(fā)器可靠的接受輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要在時鐘上升沿到來之前保持穩(wěn)定的最小時間。

保持時間：時鐘有效沿后，數(shù)據(jù)還需要保持的最小時間。

圖 1-3 建立保持時間與亞穩(wěn)時間窗

建立時間保持時間方程

Tco+Tcomp+Tsu<=T+Tskew;

Tco+Tcomp>=Thd+Tskew;

亞穩(wěn)態(tài)

如果不能滿足最小建立時間或最小保持時間，DFF輸出將是不定狀態(tài)，或在高低電平之間震蕩，幾進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

亞穩(wěn)態(tài)：指觸發(fā)器無法在某個規(guī)定的時間段內(nèi)達(dá)到一個可確認(rèn)的狀態(tài)。但觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時，既無法預(yù)測改單元輸出電平，也無法預(yù)測何時才能穩(wěn)定在某個正確電平上。

圖 1-4 亞穩(wěn)態(tài)時間窗

如圖所示，當(dāng)在輸入數(shù)據(jù)在亞穩(wěn)時間窗變化時，Tco增大，在Tco_max之后還沒有穩(wěn)定的情況就是亞穩(wěn)態(tài)。[!--empirenews.page--]

2.異步數(shù)據(jù)傳輸

異步數(shù)據(jù)傳輸可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)，如圖2-1所示

圖 2-1 異步數(shù)據(jù)傳輸

兩個時鐘CLK1和CLK2沒有相關(guān)性，無法保證DFF1的輸出在DFF2上能滿足建立保持時間。CLK1的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺LK2上可能發(fā)生以下情況：

1)滿足建立保持時間，數(shù)據(jù)正確接收

2)實(shí)際的建立時間小于臨界時間點(diǎn)，數(shù)據(jù)無法接收3)數(shù)據(jù)實(shí)際建立時間不滿足建立時間，但大于臨界時間點(diǎn)，數(shù)據(jù)Tco增大。

4)數(shù)據(jù)越接近臨界時間點(diǎn)變化，延時時間越大，相差很小時，輸出無法預(yù)測，噪聲可使結(jié)果出現(xiàn)隨機(jī)性。

圖 2-2 異步傳輸亞穩(wěn)態(tài)時序

在CLK1和CLK2沒有任何關(guān)系的情況下，Q1可能在CLK2上升沿的任何時候跳變，DFF2輸出必定有一定的概率進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，一旦DFF2進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，Tco增大，當(dāng)Tco增大到大于T+Tskew-Tcomb-Tsu時，DFF2到DFF3會產(chǎn)生建立時間違例，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)傳播。

圖 2-3 亞穩(wěn)態(tài)測量電路

通過改變時鐘周期，可測得一系列不同Tco的MTBF值。

3.異步處理電路

針對不同的異步數(shù)據(jù)可以采用不同的同步處理方式。

1)電平信號：多級串聯(lián)的DFF(2級以上)。

2)脈沖信號：

①在慢時鐘到快時鐘域傳遞，且連個時鐘相差比較大時，慢時鐘的脈沖可以被快時鐘當(dāng)做電平，使用電平同步技術(shù)同步后，在采用邊沿檢測電路即可得到相應(yīng)的脈沖信號。

②快時鐘到慢時鐘，使用脈沖同步器，下圖給出了兩個電路，不歸0翻轉(zhuǎn)電路，反饋清0電路IC設(shè)計(jì)常見的異步電路處理故障

3)多bit數(shù)據(jù)：使用握手協(xié)議或者異步FIFO。在握手協(xié)議中，異步的REQ/ACK需要使用上述同步技術(shù)進(jìn)行同步處理，異步FIFO也是如此。關(guān)于FIFO涉及的內(nèi)容比較多，后續(xù)專門講解。