文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172787
中文引用格式： 趙旸，梁步閣，楊德貴，等. 多時(shí)鐘系統(tǒng)下跨時(shí)鐘域同步電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(2)：6-9.
英文引用格式： Zhao Yang，Liang Buge，Yang Degui，et al. The design of synchronization circuit for crossing the clock domain in multi clock system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(2)：6-9.
0 引言
隨著時(shí)間的推移，集成電路行業(yè)發(fā)展至今，已有類似如Intel這樣先進(jìn)的foundry，提出邁入10 nm制程的規(guī)劃。高集成度的推行，也使芯片規(guī)模越來越大，功能越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度越來越高[1]。SOC的內(nèi)部時(shí)鐘的復(fù)雜化，導(dǎo)致跨時(shí)鐘域的接口越來越多。針對(duì)這些異步信號(hào)的處理，國(guó)外的先驅(qū)們提出了很多建設(shè)性意見。但一般用到器件較多，考慮到成本因素，小規(guī)模IC將無法承受，并且如果輸入脈沖高電平寬度低于最快時(shí)鐘周期的話，一般無法適用。因此要想很好地解決這個(gè)問題，要處理好4個(gè)方面工作：一是如何簡(jiǎn)化電路；二是如何適應(yīng)最小輸入脈寬的問題；三是解決好亞穩(wěn)態(tài)問題；四是要提高設(shè)計(jì)可靠性[2]。
1 處理跨時(shí)鐘域信號(hào)的常用方法
實(shí)際使用時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)信號(hào)在頻率不用的時(shí)鐘域傳遞的情況，對(duì)于這種情況，一般用兩種方法處理：結(jié)繩法、伴隨有效控制信號(hào)法。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)時(shí)鐘域進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)候，往往出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)問題[4]。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無法預(yù)測(cè)該單元的輸出電平，也無法預(yù)測(cè)何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。信號(hào)同步的目的是防止上一級(jí)亞穩(wěn)態(tài)對(duì)下一級(jí)產(chǎn)生不良影響，采用信號(hào)同步的方法就要設(shè)計(jì)信號(hào)同步器。信號(hào)同步器主要有3種：電平同步器、邊沿檢測(cè)同步器、脈沖同步器[7-8]。但是這些常用方法本身存在缺點(diǎn)和不適應(yīng)性。在解決實(shí)際問題中，需要根據(jù)具體情況，來設(shè)計(jì)具體的方案。
2 跨時(shí)鐘域同步電路接口方法組成及工作原理
整個(gè)電路包括兩個(gè)時(shí)鐘域以及一個(gè)復(fù)位電路。時(shí)鐘域1包含一個(gè)帶有異步復(fù)位端的同步觸發(fā)器。此觸發(fā)器帶有異步復(fù)位端R和同步時(shí)鐘端CK，低電平產(chǎn)生復(fù)位，時(shí)鐘上升沿開始鎖存數(shù)據(jù)輸入端D的狀態(tài)。輸出端有正相Q、反相/Q兩種數(shù)據(jù)輸出。時(shí)鐘域2由兩個(gè)同樣的觸發(fā)器組成，跟前面的一樣由異步復(fù)位端R和同步時(shí)鐘端CK，數(shù)據(jù)輸入端D組成。輸出端為正相Q、反相/Q兩種，復(fù)位電路由一個(gè)與門組成，接收DFF3的反向/Q輸出的數(shù)據(jù)，電路連接關(guān)系如圖1所示。
3 跨時(shí)鐘域同步電路的工作特征
在設(shè)計(jì)方案中，最大限度地保障了不漏信號(hào)。同時(shí)，時(shí)鐘域1的輸入脈沖信號(hào)寬度（高電平寬度）可以低于時(shí)鐘域1的時(shí)鐘單周期寬，電路正常工作，并且設(shè)計(jì)中脈沖寬度不再受限于時(shí)鐘域1的時(shí)鐘頻率。第三，數(shù)據(jù)鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端Q輸出的脈沖信號(hào)寬度為時(shí)鐘域2的時(shí)鐘單周期寬，從而避免了誤觸發(fā)和多觸發(fā)。
這種方法適用于輸入信號(hào)類型為脈沖或電平，最終得到的結(jié)果為脈沖。如圖2所示。
如圖3所示,當(dāng)clock1快于clock2時(shí)，圖中Data_in1表示第一個(gè)輸入脈沖，此脈沖由Data_in輸入，脈沖寬度小于clock1的四分之一，同時(shí)，脈沖寬度小于系統(tǒng)最快時(shí)鐘（clock1最快）的四分之一。Data_in1的上升沿到來的瞬間，Q1輸出高電平“1”；Data_in1的上升沿之后，第一個(gè)clock2的上升沿到來瞬間，Q2輸出高電平“1”；第二個(gè)clock2的上升沿到來瞬間，Data_out輸出高電平“1”，與此同時(shí)，nRST生成復(fù)位信號(hào)，復(fù)位DFF1、DFF2，使Q1、Q2輸出低；第三個(gè)clock2的上升沿到來瞬間，由于Q1、Q2早已變成低電平“0”，此時(shí)，“0”傳遞到Data_out，形成了一個(gè)clock2的周期寬度的脈沖Data_out1。
如圖4所示，若clock2快于clock1時(shí)，圖中Data_in1表示第一個(gè)輸入脈沖，此脈沖由Data_in輸入，脈沖寬度小于clock1的四分之一，同時(shí)，脈沖寬度小于系統(tǒng)最快時(shí)鐘（clock2最快）的四分之一。
如圖5所示,當(dāng)clock2等于clock1時(shí)，圖中Data_in1表示第一個(gè)輸入脈沖，此脈沖由Data_in輸入，脈沖寬度小于clock1的四分之一，同時(shí)，脈沖寬度小于系統(tǒng)最快時(shí)鐘（clock2等于clock1）的四分之一。
4 仿真實(shí)驗(yàn)分析
根據(jù)以上分析，通過Modelsim仿真分析得出以下時(shí)域圖像可以驗(yàn)證上述特征,如圖6～圖8所示，快時(shí)鐘為10 Hz，慢時(shí)鐘為3.3 Hz，當(dāng)時(shí)鐘相等時(shí)為5 Hz。從仿真圖像來看，亞穩(wěn)態(tài)問題以及信號(hào)寬度受限于時(shí)鐘寬度問題可以良好的解決。
5 應(yīng)用與實(shí)測(cè)
下方是基于和艦科技180 nm Pflash生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)實(shí)例。方案基于Faraday 0.18 ?滋m GII Library Standard Cell，圖中灰色部分為模擬IP。下圖中SAR_ADC的輸出接口中，有一個(gè)脈沖信號(hào)的寬度等于系統(tǒng)時(shí)鐘周期的一半。采用一般的手段，無法捕獲這個(gè)脈沖，采用上文所述的電路則便高效地解決了這個(gè)問題。具體實(shí)現(xiàn)運(yùn)行代碼如下：
assign ADC_fine_rst = ADC_fine_sys || rst ;
%生成復(fù)位信號(hào)ADC_fine_rst，高有效，為使ADC_fine_sys和rst高電平產(chǎn)生復(fù)位，所以采用“邏輯或”運(yùn)算。
always @(posedge drdy_dig or posedge ADC_fine_rst )
if (ADC_fine_rst)
ADC_fine <= 1'b0;
else
ADC_fine <= 1'b1;
%對(duì)應(yīng)圖1中的DFF1，drdy_dig為原始窄脈沖信號(hào)，若直接用系統(tǒng)時(shí)鐘clk_system采樣，將無法鎖存。因此，此處drdy_dig接ADC_fine_reg的clk端。drdy_dig為ADC的IP電路輸出信號(hào)，同步邏輯輸出，有效壓制毛刺，避免誤觸發(fā)。
always @(posedge clk_system or posedge ADC_fine_sys )
if (ADC_fine_sys)
ADC_fine_ff <= 1'b0;
else
begin
if (rst)
ADC_fine_ff <= 1'b0;
else
ADC_fine_ff <= ADC_fine;
end
%對(duì)應(yīng)圖1中的DFF2，此處rst的同步復(fù)位邏輯沒有決定性意義，可以去除。
always @(posedge clk_system or posedge rst )
if (rst)
ADC_fine_sys <= 1'b0;
else
ADC_fine_sys <= ADC_fine_ff;
%對(duì)應(yīng)圖1中的DFF3，由原始drdy_dig信號(hào)，生成了ADC_fine_sys信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘對(duì)接。
最后生成如圖9所示的GDSII視圖。按照生成GDSII視圖制作如圖10所示測(cè)試電路板。
經(jīng)過MPW shuttle以及full MASK，采用天水華天的SOP20封裝工藝，并設(shè)計(jì)板級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，專項(xiàng)測(cè)試SAR_ADC結(jié)果如表1所示。ADC性能符合spec，排除測(cè)試環(huán)境的影響，信號(hào)捕獲成功率等于100%，接口電路方案成功。
6 結(jié)論
從整體來看，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其輸入脈沖信號(hào)寬度可以低于本身的時(shí)鐘單周期寬，使得設(shè)計(jì)中脈沖寬度不再受限于時(shí)鐘頻率；同時(shí)，時(shí)鐘域1中輸入脈沖信號(hào)寬度可以低于系統(tǒng)最快時(shí)鐘單周期寬，進(jìn)一步提高了采集的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。時(shí)鐘域2輸出脈沖信號(hào)寬度為時(shí)鐘域2的時(shí)鐘單周期寬，從而避免了誤觸發(fā)，電路經(jīng)過兩級(jí)同步，這樣很好地解決了亞穩(wěn)態(tài)問題?？偟膩碇v提高了采集的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
但是，這種處理方法對(duì)輸入信號(hào)也有要求：輸入毛刺寬度應(yīng)小于DFF1（如圖3）的最小時(shí)鐘辨識(shí)度，否則將產(chǎn)生誤觸發(fā)。因此，這種方法的輸入信號(hào)一般是SOC同步電路的輸出信號(hào)，如輸入為片外信號(hào)，一般要增加前置數(shù)字濾波電路。
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