跨時鐘域（Clock Domain Crossing，CDC）作為數字芯片設計中的經典問題，也歷來是各面試官常問的問題。今天我們來分析一下跨時鐘域的相關問題，希望對你有所啟發。

一、什么是時鐘域？

在一些較為簡單的數字電路中，只有一個時鐘，即所有的觸發器都使用同一個時鐘，那么我們說這個電路中只有一個時鐘域。對于功能較為復雜的芯片，如下圖所示，電路中往往存在多個時鐘，不同的模塊使用不同的時鐘，那么我們說這個設計中有多個時鐘域。當信號在不同時鐘域之間傳輸時，就被稱為跨時鐘域。

二、什么是亞穩態？

當數字信號跨時鐘域傳輸時，就會產生亞穩態問題。亞穩態是指觸發器無法在某個規定時間段內達到一個可確認的狀態。每一個觸發器都有其規定的建立(setup)和保持(hold)時間參數, 在這個時間窗口內， 輸入信號在時鐘的上升沿是不允許發生改變的。如果觸發器的數據輸入端口上數據在這個時間窗口內發生變化（或者數據更新），那么就會產生時序違規，觸發器的輸出將徘徊在不可預知的電平狀態，即亞穩態。

如下圖所示，在CLK2的上升沿到來的時候，觸發器Din的數據在發生變化，那么Dout的數據將會徘徊在一個中間電平狀態（這個中間電平可能正確值，也可能是錯誤值）。也就是說，電路處于中間態的時間變長，使得電路“反應”遲鈍，這就是“亞穩態”。亞穩態信號的穩定時間通常比一個時鐘周期要短的多。

一般情況下不會超過一個或者兩個周期，取決于觸發器的性能。如果亞穩態超過一個或者兩個周期，那么就會被下一個觸發器采樣到，這樣就會造成亞穩態的傳播。但是需要強調的是，如果產生亞穩態，亞穩態恢復穩定后的電平不一定是正確的電平，如果穩定后的電平是錯誤的，那么就很有可能引起后面的邏輯的錯誤。

再深入一點，觸發器進入亞穩態的時間可以用參數 MTBF(mean time between failures)來描述， MTBF即觸發器采樣失敗的時間間隔，其公式描述如下：

其中：

t：在不引起synchronizer failure的前提下，亞穩態持續的最長時間

τ和T0：觸發器工藝相關的參數

F1：輸入的異步信號頻率

F2：起同步作用的的觸發器時鐘頻率

通常，MTBF越大說明系統采樣失敗的可能越小。從上面公式可以很明顯的看出，對于高速數字電路，MTBF發生的概率更大。此外，對于不同的系統和應用場景，MTBF的要求也不同。比如對于一些消費級的產品，比如手機，智能手表等，MTBF的要求要遠遠低于軍工級和航天級別的產品，比如衛星，導彈等。

三、怎么降低亞穩態？

首先，亞穩態是不可避免的，是器件的固有屬性。通過適當的方法，可以將亞穩態帶來的消極影響將至最低。一般來講，主要有下面幾種方案：

使用兩級寄存器同步

也就是俗稱的“打兩拍”。兩級寄存是一級寄存的平方，兩級并不能完全消除亞穩態危害，但是大大降低了亞穩態的發生概率。a_dat是時鐘域a_clk的數據，需要傳輸到時鐘域b_clk。假設在b_clk的上升沿正好采到a_dat的跳變沿（從0變1的上升沿，實際上的數據跳變不可能是瞬時的，所以有短暫的跳變時間），那么此時a_dat為一個不確定的電平狀態。所以b_dat1的值也不能確定.但至少可以保證，在b_clk的下一個上升沿，b_dat1基本上已經穩定，可以滿足下一級觸發器的setup/hold要求,出現亞穩態的概率得到了很大的改善。

如果再加上第三級寄存器，由于第二級寄存器對于亞穩態的處理已經起到了很大的改善作用，第三級寄存器在很大程度上可以說只是對于第二級寄存器的延拍，所以意義是不大的。

異步雙口RAM

在處理多bit數據的跨時鐘域時，采用較多的是異步雙口RAM。假設我們現在有一個信號采集平臺，ADC芯片提供源同步時鐘20MHz，ADC芯片輸出的數據在20MHz的時鐘上升沿變化，而FPGA內部需要使用100MHz的時鐘來處理ADC采集到的數據（多bit）。

在這種類似的場景中，我們便可以使用異步雙口RAM來做跨時鐘域處理。先利用ADC芯片提供的20MHz時鐘將ADC輸出的數據寫入異步雙口RAM，然后使用100MHz的時鐘從RAM中讀出。在能使用異步雙口RAM來處理跨時鐘域的場景中，也可以使用異步FIFO來達到同樣的目的。

格雷碼

在上面的第二種方案中，master要等RAM中有ADC的數據之后才去讀RAM。這就需要100MHz的時鐘對RAM的寫地址進行判斷，當寫地址大于某個值之后再去讀取RAM。程序員們使用直接用100MHz的時鐘于RAM的寫地址進行打兩拍的方式，但RAM的寫地址屬于多bit，如果單純只是打兩拍，那不一定能確保寫地址數據的每一個bit在100MHz的時鐘域變化都是同步的，肯定有一個先后順序。如果在低速的環境中不一定會出錯，在高速的環境下就不一定能保證了。所以更為妥當的一種處理方法就是使用格雷碼轉換。

首先什么是格雷碼？在一組數的編碼中，若任意兩個相鄰的代碼只有一位二進制數不同，則稱這種編碼為格雷碼（Gray Code），另外由于最大數與最小數之間也僅一位數不同，即“首尾相連”，因此又稱循環碼或反射碼。在數字系統中，常要求代碼按一定順序變化。例如，按自然數遞增計數，若采用8421碼，則數0111變到1000時四位均要變化，而在實際電路中，4位的變化不可能絕對同時發生，則計數中可能出現短暫的其它代碼（1100、1111等）。在特定情況下可能導致電路狀態錯誤或輸入錯誤。

使用格雷碼可以避免這種錯誤。格雷碼有多種編碼形式。格雷碼（Gray Code）又稱Grey Code、葛萊碼、格萊碼、戈萊碼、循環碼、反射二進制碼、最小差錯碼等。如下圖所示，若不作特別說明，格雷碼就是指典型格雷碼，它可從自然二進制碼轉換而來。二進制格雷碼的生成方法有很多，具體可自行搜索。

對于格雷碼，相鄰的兩個數間只有一個bit是不一樣的，如果先將RAM的寫地址轉為格雷碼，然后再將寫地址的格雷碼進行打兩拍，之后再在RAM的讀時鐘域將格雷碼恢復成10進制。這種處理就相當于對單bit數據的跨時鐘域處理了。

審核編輯：劉清