原创 【博客大赛】IC芯片设计跨时钟域

芯片设计中最重要的就是时钟处理，如何处理好时钟的关系成为一款芯片成功的关键。通常来讲将时钟分为同步时钟和异步时钟两大类。

同步时钟：时钟之间有固定的相位关系。

异步时钟：同频不同相，两个时钟的频率是相同的，但是它们之间的相位是不同的；不同频率，两个时钟源不同。

为什么要处理跨时钟域

A时钟域的数据传输到B时钟域，被B时钟域的触发器采样到，表面看起来好像没什么问题，整个传输的过程看起来很Happy的样子。可是如果我们时钟无限放大，传输的信号无限放大，自然而然你就会有疑问，会不会传输信号的跳变沿碰到了采样时钟的跳变沿？如果碰到了会出现什么问题，是采样到了0，还是采样到了1？很好，这个问题其实就引出了触发器的setup（建立）时间和hold（保持）时间。

A时钟域的信号传输到B时钟域，无法保证B时钟域触发器的setup time和hold time，这个时候就会出现metastability，也就是所谓的亚稳态，这个亚稳态是芯片设计中最忌讳的东西，它会传播到下一级，甚至引起电路的震荡，危害非常之大。最要命的是亚稳态问题进行仿真的过程中是无法发现的，很多时候是上了FPGA或者芯片回来以后才发现，但是这个时候多半已经晚了。

如上图所示，S是异步输入源，在clk上升沿采样的时候，s也发生了跳变，这个时候问题就出现了，q的输出是0还是1，q可能采样到中间值，所以可能随机成0或者1，功能正确不能保证，电路也会偶尔正确，偶尔错误。

上公式给出了亚稳态出现的频率，可以看出它和采样频率，异步数据源的跳变频率，触发器的setup/hold time的window有关。

上图示意了当亚稳态发生时真实的电路工作情况和平时的仿真情况，从上图看出，平时仿真和真正硬件工作时的数据可能差一个周期。但是，这些情况是不可预期的，不可预期的东西在芯片上会带来很大的麻烦，譬如芯片正常工作的时候突然挂掉了，你甚至都不知道该怎么debug。

一种模拟亚稳态仿真的方法就是故意随机的插入1T的延时，如下图所示，数据经过同步后再经过随机的mux进行选择，这样可以使仿真更接近实际的工作情况。