如今，SoCs正變得越來越復雜，數據經常從一個時鐘域傳輸到另一個時鐘域。

上圖信號A由C1時鐘域觸發，被C2時鐘域采樣。 根據這兩個時鐘之間的關系，在將數據從源時鐘傳輸到目標時鐘時，可能會出現不同類型的問題，并且這些問題的解決方案也有所不同。

本文討論了不同類型的跨時鐘域，以及每種類型中可能遇到的問題及其解決方案。 在接下來的所有部分中，都直接使用了上圖所示的信號名稱。 例如，C1和C2分別表示源時鐘和目標時鐘。 類似地，A和B分別被用作源觸發器輸出和目標觸發器輸出。 此外，源和目標觸發器被假定為正沿觸發。

跨時鐘域問題

本節描述了在出現跨時鐘域時可能出現的三個主要問題，然后還描述了這些問題的解決方案。

A.亞穩態問題。

如果信號A上的翻轉發生在非常接近時鐘C2的邊沿處，它可能會導致在目標觸發器“FB”處的setup 或hold 違反。 結果，輸出信號B進行無限振蕩。 因此，輸出是不穩定的，在C2的下一個時鐘邊緣到達之前也可能會穩定到某個穩定的值。這種現象被稱為亞穩態，或者說觸發器“FB”已經進入亞穩態。

從設計的角度來看，亞穩態又會產生以下后果：

1、如果不穩定的數據被輸入到設計中的其他幾個地方，它可能會導致大電流，在最壞的情況下甚至導致芯片燒壞。

2、不同的 fan-out可能會讀取不同的信號值，并可能導致設計進入未知的功能狀態，導致設計出現功能問題。

3、目標時鐘域輸出可能穩定到新值或返回到舊值。 然而，傳播延遲可能很高，會導致時序問題。

如下圖，如果輸入信號A在非常接近C2時鐘的上升沿翻轉，則目標觸發器的輸出可以是亞穩態的。 因此，它可以不穩定，并可能最終穩定到信號B1和B2所描述的1或0。

可以通過在目標域中添加同步器來避免亞穩態問題。 同步器允許振蕩在足夠的時間穩定下來，并確保在目標時鐘域獲得穩定的輸出。 一個常用的同步器是一個級聯觸發器，如下圖所示。

該結構主要用于設計中的控制信號和單比特數據信號。 多位的數據信號需要其他類型的同步方案，如MUX recirculation、握手和FIFO。

B.數據丟失

每當生成一個新的源數據時，由于亞穩態性，它可能不會在目標時鐘的第一個周期中被目標域捕獲。只要源信號上的每個翻轉都在目標域中被捕獲，數據就不會丟失。為了確保這一點，源數據應在一段最短的時間內保持穩定，以便滿足對目標時鐘的至少一個邊沿的setup 和hold 時間的要求。

如果C1和C2的時鐘邊沿非常靠近，則在源數據A翻轉之后的C2的第一個時鐘邊沿無法捕獲它。 該數據最終被時鐘C2的第二個時鐘邊沿捕獲，如下圖所示。

但是，如果在數據A翻轉和時鐘C2的邊沿之間有足夠的時間，則在C2的第一個周期捕獲數據。 因此，源時鐘域數據和目標時鐘域數據之間可能不會一一對應。 無論如何，一般情況下源數據上的每個翻轉都應該在目標時鐘域中被捕獲。

假設源時鐘C1的速度是目標時鐘C2的兩倍，并且這兩個時鐘之間沒有相位差。 進一步假設在時鐘C1的正邊沿生成的輸入數據序列“A”為“00110011”。 在時鐘C2的正邊沿捕獲的數據B將為“0101”。 在這里，由于信號A上的所有翻轉都被B捕獲了，所以數據不會丟失。

但是，如果輸入序列為“00101111”，則目標域中的輸出將為“0011”。 這里輸入序列中的第三個數據值“1”丟失。

為了防止數據丟失，數據應該在源時鐘域中保持足夠長的時間不變，以便在目標時鐘域中正確捕獲。 換句話說，在源數據上的每次轉換之后，至少有一個目標時鐘邊沿應該到達沒有違反setup或hold的地方，以便在目標時鐘域中正確地捕獲源數據。

C. 數據一致性

如前一節所示，每當在源時鐘域中生成新數據時，可能需要1個或多個目標時鐘周期來捕獲它。 考慮這樣一種情況，即多個信號從一個時鐘域傳輸到另一個時鐘域，并且每個信號使用多級觸發器同步器分別進行同步。 如果所有信號同時發生變化，并且源時鐘和目標時鐘邊沿接近，那么一些信號可能在第一個時鐘周期中在目標域中被捕獲，而另一些信號可能通過亞穩態在第二個時鐘周期中被捕獲。 這可能會導致目標端信號上的值組合無效。 也就是說，在這種情況下，數據的一致性已經丟失了。

如果這些信號一起控制著設計的某些功能，那么這種無效的狀態可能會導致功能錯誤。

例如：假設“00”和“11”是由時鐘C1生成的信號X[0：1]的兩個有效值。 最初在X的兩個位上都有一個從1->0的過渡。 這兩個轉變在第一個周期本身都被時鐘C2捕獲。 因此，信號Y變成了“00”。

接下來，在信號X的兩個比特位上都有一個從0->1的轉換。 在這里，時鐘C2的上升沿接近于信號X的翻轉。 X[0]上的翻轉在第一個時鐘周期中被捕獲，而X[1]上的翻轉在C2的第二個時鐘周期中被捕獲。 這將導致Y[0：1]上的一個中間值為“10”，這是一個無效的狀態。 在這種情況下，數據的一致性丟失了。

在上面的示例中，問題的原因是所有比特沒有在相同的目標時鐘周期中捕獲。 如果所有比特在同一周期中保留其原始值或更新值，則設計要么保持原始狀態，要么進入正確的新狀態（參考異步FIFO）。

如果電路的設計方式是，在將設計從一種狀態更改到另一種狀態時，只需要更改一個位，那么該位將更改為一個新值或者保留原始值。 由于所有其他位在這兩種狀態下都有相同的值，所以在這種情況下，完整的總線要么變為新值，要么保留原始值。

這反過來又意味著，如果總線是格雷編碼的，那么這個問題將會得到解決，并且將永遠不會得到一個無效的狀態。

但是，這僅適用于控制總線，因為無法對數據總線進行格雷編碼。在這種情況下，可以使用握手、FIFO和MUX recirculation（如下圖）等其他技術來生成一個公共的控制邏輯來正確地傳輸數據。

這里，在源時鐘域中產生的控制信號EN使用多級觸發器同步器在目標域中進行同步。同步控制信號EN_Sync驅動mux的選擇引腳，從而控制總線A所有位的數據傳輸。通過這種方式，總線的各個位不會單獨同步，因此不存在數據不一致性。但是，重要的是要確保當控制信號被激活時，源域數據A[0：1]應保持不變。

審核編輯：湯梓紅