跨時(shí)鐘域處理是FPGA設計中經(jīng)常遇到的問(wèn)題,而如何處理好跨時(shí)鐘域間的數據,可以說(shuō)是每個(gè)FPGA初學(xué)者的必修課。如果是還是在校的學(xué)生,跨時(shí)鐘域處理也是面試中經(jīng)常常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題。
在本篇文章中,主要介紹3種跨時(shí)鐘域處理的方法,這3種方法可以說(shuō)是FPGA界最常用也最實(shí)用的方法,這三種方法包含了單bit和多bit數據的跨時(shí)鐘域處理,學(xué)會(huì )這3招之后,對于FPGA相關(guān)的跨時(shí)鐘域數據處理便可以手到擒來(lái)。
本文介紹的3種方法跨時(shí)鐘域處理方法如下:
1.打兩拍;“
2.異步雙口RAM;”
3.格雷碼轉換;“
第一種方法:打兩拍
大家很清楚,處理跨時(shí)鐘域的數據有單bit和多bit之分,而打兩拍的方式常見(jiàn)于處理單bit數據的跨時(shí)鐘域問(wèn)題。
打兩拍的方式,其實(shí)說(shuō)白了,就是定義兩級寄存器,對輸入的數據進(jìn)行延拍。
先簡(jiǎn)單說(shuō)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態(tài)危害,但是提高了可靠性減少其發(fā)生概率??偟膩?lái)講,就是一級概率很大,三級改善不大。
這樣說(shuō)可能還是有很多人不夠完全理解,那么請看下面的時(shí)序示意圖:
data是時(shí)鐘域1的數據,需要傳到時(shí)鐘域2(clk)進(jìn)行處理,寄存器1和寄存器2使用的時(shí)鐘都為clk。假設在clk的上升沿正好采到data的跳變沿(從0變1的上升沿,實(shí)際上的數據跳變不可能是瞬時(shí)的,所以有短暫的跳變時(shí)間),那這時(shí)作為寄存器1的輸入到底應該是0還是1呢?
這是一個(gè)不確定的問(wèn)題。所以Q1的值也不能確定,但至少可以保證,在clk的下一個(gè)上升沿,Q1基本可以滿(mǎn)足第二級寄存器的保持時(shí)間和建立時(shí)間要求,出現亞穩態(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(shuō)只是對于第二級寄存器的延拍,所以意義是不大的。
第二種方法:異步雙口RAM
處理多bit數據的跨時(shí)鐘域,一般采用異步雙口RAM。假設我們現在有一個(gè)信號采集平臺,ADC芯片提供源同步時(shí)鐘60MHz,ADC芯片輸出的數據在60MHz的時(shí)鐘上升沿變化,而FPGA內部需要使用100MHz的時(shí)鐘來(lái)處理ADC采集到的數據(多bit)。
在這種類(lèi)似的場(chǎng)景中,我們便可以使用異步雙口RAM來(lái)做跨時(shí)鐘域處理。先利用ADC芯片提供的60MHz時(shí)鐘將ADC輸出的數據寫(xiě)入異步雙口RAM,然后使用100MHz的時(shí)鐘從RAM中讀出。
對于使用異步雙口RAM來(lái)處理多bit數據的跨時(shí)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(lái)處理跨時(shí)鐘域的場(chǎng)景中,也可以使用異步FIFO來(lái)達到同樣的目的。
第三種方法:格雷碼轉換
對于第三種方法,Kevin在大學(xué)里邊從沒(méi)接觸過(guò),也是在工作中才接觸到。
我們依然繼續使用介紹第二種方法中用到的ADC例子,將ADC采樣的數據寫(xiě)入RAM時(shí),需要產(chǎn)生RAM的寫(xiě)地址,但我們讀出RAM中的數據時(shí),肯定不是一上電就直接讀取,而是要等RAM中有ADC的數據之后才去讀RAM。這就需要100MHz的時(shí)鐘對RAM的寫(xiě)地址進(jìn)行判斷,當寫(xiě)地址大于某個(gè)值之后再去讀取RAM。
在這個(gè)場(chǎng)景中,其實(shí)很多人都是使用直接用100MHz的時(shí)鐘于RAM的寫(xiě)地址進(jìn)行打兩拍的方式,但RAM的寫(xiě)地址屬于多bit,如果單純只是打兩拍,那不一定能確保寫(xiě)地址數據的每一個(gè)bit在100MHz的時(shí)鐘域變化都是同步的,肯定有一個(gè)先后順序。如果在低速的環(huán)境中不一定會(huì )出錯,在高速的環(huán)境下就不一定能保證了。所以更為妥當的一種處理方法就是使用格雷碼轉換。
對于格雷碼,相鄰的兩個(gè)數間只有一個(gè)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(xiě)地址轉為格雷碼,然后再將寫(xiě)地址的格雷碼進(jìn)行打兩拍,之后再在RAM的讀時(shí)鐘域將格雷碼恢復成10進(jìn)制。這種處理就相當于對單bit數據的跨時(shí)鐘域處理了。對于格雷碼與十進(jìn)制互換的代碼,僅提供給大家作參考:
代碼使用的是函數的形式,方便調用,op表示編碼或者譯碼,WADDRWIDTH和RADDRWIDTH表示位寬。
編輯:jq
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原文標題:解決跨時(shí)鐘域問(wèn)題的三大方法
文章出處:【微信號:gh_9d70b445f494,微信公眾號:FPGA設計論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉載請注明出處。
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