原创跨时钟域处理

 2017-1-11 14:56  1448 18 18

时钟对于FPGA就像我们的心脏，时刻控制着“跳动”的频率以及“血液”的流速；时钟域好比通过心脏的血液血型，不同血型的血液会产生排斥作用。在设计中建议时钟越少越好，好比于人有两个甚至更多的心脏，其内脏工作将会多么混乱。但是某些情况下多时钟又不可避免，比如从FPGA外部输入的数据，其自带有个随路时钟，数据终归要在FPGA内部时钟域下处理，这来自外部的“血液”如何处理才能与内部的“血液”融合呢？配对及转换工作则是必不可少的，这就引入本节的主题：跨时钟域处理（Clock Domain Crossing）：

跨时钟域处理需要两方面的工作：1. 设计者处理；2. FPGA工具（Vivado）处理。

设计者处理

首先讲解一下如果不进行跨时钟域处理，会出现什么问题呢？如图1所示路径，QA属于CLKA时钟域的数据输出，另一个时钟CLKB去捕获节点REG A的输出QA，假定CLKA与CLKB是异步时钟，它们之间的相位并不固定，因此捕获过程中可能会出现建立冲突（setup violation）和保持冲突（hold violation），如图2所示，左右分别为发生建立冲突和保持冲突的情况。

图1

图2

当冲突出现时（我感觉整个人都不好了），会发生什么事情呢？在发生建立冲突或者保持冲突，捕获节点（REG B）会处于一个不定的状态，正常的状态是高电平或者低电平，而此时的状态停留在高电平和低电平的中间，无效的电平X，称这个状态为亚稳态。如图3所示，捕获节点输出保持在亚稳态，可能在整个时钟周期内都保持在亚稳态，由于不正确的状态，其后连接的逻辑在功能实现上就会出现问题，比如一个判断信号上升沿的逻辑，通常判断D == HIGH && D_PREV == LOW（D为信号当前电平状态，D_PREV为信号上个时钟的电平状态）是否成立，而发生亚稳态时则D_PREV == X，这个上升沿将会错过。因此，加入跨时钟域处理设计是必须的。

图3

对于单比特信号的跨时钟域处理，常用的方法是“打两拍”，即在捕获时钟域中加入两个寄存器进行时钟转换，如图4所示，加入REG B1和REG B2，虽然REG B1处于亚稳态状态，但是REG B2的输出QB2能稳定在正常的电平上，由于REG B1和REG B2之间没有多余的逻辑，REG B1能有充裕的时间稳定状态，此情况下REG B2能完美地隐藏REG B1的亚稳态。在捕获时钟的频率比较高的情况下，如果一个REG B2还未能隐藏亚稳态，拍数也可以增加三个或者更多，当然一般情况下，两拍足矣。

图4

对于多比特总线数据的跨时钟域处理，能否也使用“打两拍”的方法呢？答案见图5，虽然REG B2的输出是稳定的，稳定在哪一个电平是不确定的，不过会在当前时钟或者下一个时钟输出正确电平，即偏差在一个时钟周期，也就是说不能保证所有比特位的状态一致，也是这个原因，导致传输多比特总线数据时各比特位不同步，常用的解决方法是加入FIFO隔离，如图6所示，FIFO能有效地隔离两个时钟域，避免亚稳态的发生。

图5

图6

FPGA工具（Vivado）处理

Vivado采用XDC对时序进行约束，默认情况下，会分析所有时钟的路径，当然也包括跨时钟域的路径。

设计经过综合实现后，在Implementation中点击Report Clock Interaction（见图7），得到设计中所有时钟的交互情况，如图8所示，共有两个时钟：CLK_REG和CLK_USR，红色区域表示Timed（unsafe），说明两个时钟间有时序路径。

图7

图8

可以发现在图8底部时序分析的结果，有红色报警说明有路径时序未收敛，打开时序分析报告（见图9），source clock是CLK_REG，destination clock是CLK_USR，说明是一条跨时钟域路径，其中Requirement只有0.001ns，显然对跨时钟域路径的分析不合理，因此通常在保证设计者处理完成后，添加时序约束，是Vivado忽略对跨时钟域路径进行时序分析。

图9

可以通过设置时钟组（clock group）或者设置假路径（false path）处理跨时钟域路径。如图10所示，在clock interaction中红色区域右击，选择Set Clock Groups或者Set False Path，

图10

Set Clock Group和Set False Path的区别是，前者设置了双向（CLKA-TO-CLKB和CLKB-TO-CLKA）的路径，而后者只设置单向（CLKA-TO-CLKB或者CLKB-TO-CLKA）的路径，此例中因为只有单向区域有路径交互，因此使用Set False Path即可。

图11