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  • 数字IC前端面试中常被问到:跨时钟域信号处理——握手协议(handshake)

    数字IC前端面试中常被问到:跨时钟域信号处理——握手协议(handshake)

     

    之前吾爱IC社区小编分享过跨时钟域信号的处理问题。

     

    深度揭秘数字IC设计中异步复位同步释放原理

    跨时钟域CDC信号处理的正确方式!(IC设计面试常见问答)

     

    前面提到,用敲两级DFF的办法(两级DFF同步器)可以实现单比特信号跨时钟域处理。但你或许会有疑问,是所有的单比特信号跨时钟域都可以这么处理吗?

     

    NO!两级DFF同步器,是对信号有一定的要求的。

     

    想象一下,如果频率较高的时钟域A中的信号D1 要传到频率较低的时钟域B,但是D1只有一个时钟脉冲宽度(1T),clkb 就有几率采不到D1了,如图1。

    跨时钟域波形图

     图1 快时钟域信号传递到慢时钟域

     

    因此只有当D1 在很长一段时间内为1或0,确保一定可以被clkb采样到,才能用两级DFF同步器处理。

     

    如果信号D1 只有1T或几个T的脉宽,又需要传到时钟频率较低甚至或快或慢不确定的时钟域B,这种情况该怎么如何处理呢?

    1

    握手协议(handshake)异步信号处理是一种常见的异步信号处理方法。常见的握手协议异步信号处理行为波形图大致如下图2:

     

    图2 一种handshake电路波形

     

    信号d_in 所处时钟域是clk_in,且d_in只有1T 的宽度,想要传送到clk_out 时钟域(clk_out 跟clk_in不相关)。

     

    因为clk_out 和 clk_in相位关系不确定,时钟周期大小关系不确定,无法保证一定能采样到d_in。

     

    因此需要把d_in展宽,产生d_req 信号;

    d_req 信号一直拉高,经过clk_out时钟域两级DFF 同步器后,得到d_reg_sync;

    取d_req_sync 上升沿1T,即可得到传送到clk_out 时钟域的d_out。

    此时,d_in 从clk_in 传送到clk_out 的任务就算是结束了。

    但对于handshake 电路来说,任务还没结束,因为d_req 还一直是高电平。

    因此,需要把d_req_sync 信号再用两级DFF同步器,传回clk_in 时钟域,得到d_ack信号;

    当clk_in 看到d_ack拉高后,就可以把d_req 信号拉低,到这里一个handshake电路行为才算是结束了。

    2

    根据上面的波形图,可以看到握手协议异步信号处理并不复杂,但是细心的朋友应该会注意到,这个处理方法信号传递的速度相对较慢。

    从图2 的波形来看,至少需要3个clk_in 和2个clk_out时钟周期。根据不同的应用需求,人们会对图2的波形做不同的改造。但万变不离其宗,原理都是一样的,电路也大同小异。

     

    最后留4个问题供大家思考,以增进对handshake电路的理解:

    1. 图2中的d_req的逻辑怎么实现?

    2. 图2中的d_out的逻辑怎么实现?

    3. 假设时钟域clka比clkb 频率高,如果输入信号的两个相邻脉冲D0和D1非常较近,如下图所示,如果使用握手协议处理,会发生怎样的事情?

    4.问题3里面,如果要确保D1数据一定要被能传送到clkb,电路该如何实现?

    请大家踊跃留言回答哦。

     

     

     

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    学习了,不过建议配一个电路图会更容易让人理解,嘿嘿
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    好文章!666,学习了
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