1 控制信號的同步技術(shù)
控制信號的同步分從快時鐘域到慢時鐘域、從慢時鐘域到快時鐘域的轉(zhuǎn)換和異步輸入控制信號的同步三種情況。分別采用直接鎖存法和鎖存反饋法來實現(xiàn)。
1．1 直接鎖存法
控制信號從慢時鐘域到快時鐘域轉(zhuǎn)換時，由于控制信號的有效寬度為慢時鐘域周期，需要做特殊處理，保證跨時鐘域后有效寬度為一個快時鐘周期，否則信號轉(zhuǎn)換到快時鐘域后可能被誤解釋為連續(xù)的多個控制信號。同步電路如圖1所示，在快時鐘域?qū)刂菩盘栠M行兩級鎖存，由于第二和第三個觸發(fā)器的輸出延遲一個快時鐘周期，將它們做一個邏輯運算，就可以得到有效一個快時鐘周期的控制信號。
1．2 鎖存反饋法
鎖定反饋法主要解決信號從快時鐘域向慢時鐘域過渡時，如果信號寬度不滿一個慢時鐘周期，慢時鐘可無法對信號進行正確采樣的問題，也可用于處理異步輸入信號的同步。如圖2所示，同步裝置由三級觸發(fā)器組成，第一級觸發(fā)器，數(shù)據(jù)輸入端為電源，時鐘輸入端為控制信號，隨后兩級觸發(fā)器由接收方時鐘觸發(fā)。發(fā)送方時鐘域的控制信號到達后，第一級觸發(fā)器的輸出為高電平，在接收方時鐘域?qū)π盘栠M行兩級鎖存后，若第三級觸發(fā)器輸出為高電平，就將第一級觸發(fā)器清零。由于二三級觸發(fā)器的輸出延遲一個慢時鐘周期，將它們做一個邏輯運算，就可以得到有效一個接收方時鐘周期的控制信號。
圖1、圖2所示的電路，在接收方的時鐘域采用兩級觸發(fā)器，大大增加了同步器的平均失效時間MTF(mean time to failure)，MTF的有關(guān)計算公式在文獻中給出。計算表明，對于大多數(shù)的應(yīng)用，兩級鎖存器同步失效的概率很小，足以消除可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)情況。
2 數(shù)據(jù)通路的同步
數(shù)據(jù)在不同時鐘域之間的傳遞，一般不采用上述的同步器，因為多位數(shù)據(jù)的同時變化會使同步器的采樣錯誤率大大增加。本文采用異步FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的同步。
2．1 異步FIFO
異步FIFO是一種先進先出的電路，發(fā)送方時鐘域先把數(shù)據(jù)存儲到RAM，穩(wěn)定后再讀取到接受方時鐘域，從而實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)的可靠傳輸。一般由讀、寫電路和FIFO存儲體組成，如圖3所示。
異步FIFO的設(shè)計主要有兩個難點，一是如何實現(xiàn)兩種異步信號的同步化問題以及如何消除由此產(chǎn)生的壓穩(wěn)態(tài)，二是如何正確的判斷存儲器空和滿的狀態(tài)。
為了提高FIFO的利用率，本文把FIFO組織成環(huán)形隊列的形式。寫指針始終指向下一個要寫的字，讀指針始終指向下一個要讀的字。為了方便判斷雙端口存儲器的空滿／狀態(tài)，給讀寫指針的最高位增加一個冗余位，把讀寫指針定義為『log2N：0』，只有后log2N位是存儲器地址。當(dāng)FIFO第一次被完全寫滿的時候，寫指針的值為N，而不是全零，所以可以根據(jù)讀寫指針方便的判斷存儲器的空滿。當(dāng)讀寫地址的存儲器地址和冗余位都相等時，說明讀指針追趕上寫指針，即可認為FIFO為空：當(dāng)存儲器地址相等而冗余位不相等，即可認為FIFO是滿的。
在異步FIFO的設(shè)計中，讀寫指針是在不同的時鐘域里面產(chǎn)生的，只有同步到一個時鐘域里才能進行比較。然而，把一個二進制計數(shù)器同步到另外一個時鐘域里會面臨很大的困難。這是因為自然二進制計數(shù)器的序列中一半的加1操作需要兩個或者更多的計數(shù)器位的翻轉(zhuǎn)。由于電路的固有延遲等原因，這些數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)不一定同時進行，那么就有可能在不同時鐘域之間造成同步出錯，從而導(dǎo)致讀寫指針的比較結(jié)果出錯。
2．2 用格雷碼實現(xiàn)讀寫指針
有效的解決指針跨時鐘域傳遞的一個方法是格雷碼技術(shù)，格雷碼的特點是相鄰的兩個編碼之間只有1位不同，消除了在同一個時鐘沿多位編碼同時變化所帶來的問題。格雷碼由二進制自然碼右移一位后與原二進制碼進行異或操作得到，運算關(guān)系為：
其中，N為n1位二進制自然碼，G為n1位格雷碼。
格雷碼到二進制碼的轉(zhuǎn)變關(guān)系為：
其中，N『m』為二進制碼的第m位，G『m』為格雷碼的第m位。
格雷碼和自然碼的對應(yīng)關(guān)系示例如圖4所示，可以看出，直接采用格雷碼進行空滿判斷有些不方便，n1位格雷碼的上下半?yún)^(qū)是一個對稱的結(jié)構(gòu)，因為當(dāng)寫指針追趕上讀指針時，讀寫指針的G『n-1：0』并不相等，無法進行滿判斷。本文采用修改后的編碼，如圖4所示，修改后的格雷碼MG『n-1：0』上下半?yún)^(qū)是一個相等的結(jié)構(gòu)，修改后的編碼只有第n-1位和格雷碼不同，第n-1位按如下方式產(chǎn)生：
其中，MG『n-1』為格雷碼的第n位，MG『n-1』為修改后的編碼的第n-1位。
需要注意的是，修改后的編碼最壞情況下，相鄰的兩個編碼有兩位不同，因此在跨時鐘域的時候仍然采用格雷碼，只有在跨時鐘域結(jié)束后，進行空滿判斷的時候才對格雷碼作修改。采用修改后的格雷碼進行空滿判斷，比將格雷碼轉(zhuǎn)換到自然二進制進行判斷節(jié)省運算量。例如，n1位的格雷碼轉(zhuǎn)換到自然二進制碼時，需要(n2n)／2次異或操作，而轉(zhuǎn)換為修改后的格雷碼，只需n1次異或操作，節(jié)省(n2-n-2)／2次異或操作(n>1)。
3 結(jié)束語
信號在不同時鐘域之間的轉(zhuǎn)換是復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計中不可缺少的一部分，直接鎖存法和鎖存反饋法可處理控制信號的同步，異步FIFO在跨時鐘的數(shù)據(jù)交換方面具有高效的優(yōu)勢，本文設(shè)計的修改后的格雷碼可以節(jié)省運算量，在具體設(shè)計時，需要在編碼方法、跨時鐘域的信號同步等關(guān)鍵問題上謹慎處理。