【设计开发】典型异步电路设计-脉冲同步（2）

一、前言

　　上一篇文章中已经描述了简单的脉冲同步器，它可以实现简单应用场景下的同步功能，同时也存在不少应用限制或缺陷，例如：

　　（1）对src_clk域dst_clk关系较为敏感，当src_clk与dst_clk时钟频率差别很大时可能不适应；

　　（2）由于没有完整的握手机制，当多个src_pulse之间间隔较短时，可能存在脉冲同步丢失情况。

　　（3）当dst_clk时钟域出现无时钟或复位时，src_clk时钟域将丢失。

　　本文将对该同步器进行改进以满足更多异步脉冲同步场景。

二、原理

　　回顾上一篇文章中的同步器的基本设计原理：

　　（1）源时钟域脉冲转换为源时钟域电平信号；

　　（2）对单bit电平信号进行打拍的异步处理；

　　（3）在目的时钟域中进行脉冲还原。

　　从以上设计原理中，我们可以发现该同步器的控制传递是单向的，即仅从源时钟域到目的时钟域，目的时钟域并没有状态反馈。假设存在如下应用：

　　（1）源时钟域中的第一个脉冲和第二个脉冲间隔过短，第一个脉冲未完成同步，第二脉冲又将状态清空，导致最终脉冲同步丢失。

　　要解决以上同步问题，需要引入异步握手机制，保证每个脉冲都同步成功，同步成功后再进行下一个脉冲同步。握手原理如下：

　　sync_req: 源时钟域同步请求信号，高电平表示当前脉冲需要同步；

　　sync_ack: 目的时钟域应答信号，高电平表示当前已收到同步请求；

　　完整同步过程分为以下4个步骤：

　　（1）同步请求产生；当同步器处于空闲（即上一次已同步完成）时，源同步脉冲到达时产生同步请求信号sync_req;

　　（2）同步请求信号sync_req同步到目的时钟域，目的时钟域产生脉冲信号并将产生应答信号sync_ack；

　　（3）同步应答信号sync_ack同步到源时钟域，源时钟域检测到同步应答信号sync_ack后，清除同步请求信号；

　　（4）目的时钟域检测到sync_req撤销后，清除sync_ack应答；源时钟域将到sync_ack清除后，认为一次同步完成，可以同步下一个脉冲。

三、代码

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// 
// Project      : Verilog Common Module
// File Name    : handshake_pulse_sync.v
// Creator(s)   : justforyou200@163.com
// Date         : 2015/12/01
// Description  : A handshake pulse sync 
//
// Modification :
// (1) Initial design  2015-12-01
//
//
//--====================================================================================--

module HANDSHAKE_PULSE_SYNC
    (
        src_clk         , //source clock 
        src_rst_n       , //source clock reset (0: reset)
        src_pulse       , //source clock pulse in
        src_sync_fail   , //source clock sync state: 1 clock pulse if sync fail.
        dst_clk         , //destination clock 
        dst_rst_n       , //destination clock reset (0:reset)
        dst_pulse       //destination pulse out
    );
 
//PARA   DECLARATION


//INPUT  DECLARATION
input               src_clk     ; //source clock 
input               src_rst_n   ; //source clock reset (0: reset)
input               src_pulse   ; //source clock pulse in

input               dst_clk     ; //destination clock 
input               dst_rst_n   ; //destination clock reset (0:reset)

//OUTPUT DECLARATION
output              src_sync_fail   ; //source clock sync state: 1 clock pulse if sync fail.
output              dst_pulse       ; //destination pulse out


//INTER  DECLARATION
wire                dst_pulse       ;
wire                src_sync_idle   ;
reg                 src_sync_fail   ;
reg                 src_sync_req    ;
reg                 src_sync_ack    ;
reg                 ack_state_dly1  ;
reg                 ack_state_dly2  ;
reg                 req_state_dly1  ;
reg                 req_state_dly2  ;
reg                 dst_req_state   ;
reg                 dst_sync_ack    ;

//--========================MODULE SOURCE CODE==========================--


//--=========================================--
// DST Clock :
// 1. generate src_sync_fail; 
// 2. generate sync req 
// 3. sync dst_sync_ack
//--=========================================--
assign src_sync_idle = ~(src_sync_req | src_sync_ack );

//report an error if src_pulse when sync busy ;
always @(posedge src_clk or negedge src_rst_n)
begin
    if(src_rst_n == 1'b0)
        src_sync_fail   <= 1'b0 ;
    else if (src_pulse & (~src_sync_idle)) 
        src_sync_fail   <= 1'b1 ;
    else 
        src_sync_fail   <= 1'b0 ;
end

//set sync req if src_pulse when sync idle ;
always @(posedge src_clk or negedge src_rst_n)
begin
    if(src_rst_n == 1'b0)
        src_sync_req    <= 1'b0 ;
    else if (src_pulse & src_sync_idle) 
        src_sync_req    <= 1'b1 ;
    else if (src_sync_ack)
        src_sync_req    <= 1'b0 ;
end

always @(posedge src_clk or negedge src_rst_n)
begin
    if(src_rst_n == 1'b0)
        begin
            ack_state_dly1  <= 1'b0 ;
            ack_state_dly2  <= 1'b0 ;
            src_sync_ack    <= 1'b0 ;         
        end
        else
        begin
            ack_state_dly1  <= dst_sync_ack     ;
            ack_state_dly2  <= ack_state_dly1   ;
            src_sync_ack    <= ack_state_dly2   ;         
        end        
end

//--=========================================--
// DST Clock :
// 1. sync src sync req 
// 2. generate dst pulse
// 3. generate sync ack
//--=========================================--
always @(posedge dst_clk or negedge dst_rst_n)
begin
    if(dst_rst_n == 1'b0)
        begin
            req_state_dly1  <= 1'b0 ;
            req_state_dly2  <= 1'b0 ;
            dst_req_state   <= 1'b0 ;
        end
    else
        begin
            req_state_dly1  <= src_sync_req     ;
            req_state_dly2  <= req_state_dly1   ;
            dst_req_state   <= req_state_dly2   ;
        end
end

//Rising Edge of dst_state generate a dst_pulse;
assign dst_pulse = (~dst_req_state) & req_state_dly2 ; 

//set sync ack when src_req = 1 , clear it when src_req = 0 ;
always @(posedge dst_clk or negedge dst_rst_n)
begin
    if(dst_rst_n == 1'b0)
        dst_sync_ack    <= 1'b0;
    else if (req_state_dly2)  
        dst_sync_ack    <= 1'b1;
    else  
        dst_sync_ack    <= 1'b0;
end


endmodule