关于FPGA异步时钟采样--结绳法的点点滴滴
一.典型方法
典型方法即双锁存器法，第一个锁存器可能出现亚稳态，但是第二个锁存器出现亚稳态的几率已经降到非常小，双锁存器虽然不能完全根除亚稳态的出现(事实上所有电路都无法根除，只能尽可能降低亚稳态的出现)，但是基本能够在很大程度上减小这种几率。最后的一个D触发器和逻辑电路组成的是一个采沿（上升沿，修改一下就能采集下降沿）电路，即当第二个锁存器的输出中出现1个上升沿，那么最后的逻辑输出就会产生1个clock的高电平脉冲
二.结绳法
1.结绳法1:利用数据的边沿作时钟（例子中上升沿）。（可以将脉冲无限延长，直到可以采集到数据，然后复位，要考虑产生数据的频率）。
实例1
说明：这种结绳法的原理是，数据作为Din_clkA，即当数据有上升沿(0->1)时，寄存器1的输出将会稳定在高电平，此时等待clkB采样，当clkB完成采样后，寄存器4会输出高电平，若此时Din_clkA为高电平，那么即可完成复位，开始下一次采样等待。
这里需要注意的是当数据来临(即上升沿)时，clkB域需要等待3个clkB才会在寄存器4输出并完成输入端的复位，所以Din如果变化较快
即持续时间短于3个clkB，也就是clkA频率大于clkB的1/3，那么这时Din的变化将无法被采样到，因为clkB域需要3个clkB才能
完成采样，并且此时Din必须是低电平才能复位，并且复位后的0也要延迟3个clkB才能到达输出端.
因此说，在慢时钟采样快时钟的时候，结绳法适合采样数据较少(即脉冲间隔较大)的控制信号。即脉冲间隔Ta>3Tb;即等待3个clkB时钟后，完成复位，才允许下一个输入脉冲。
实例2
说明：与实例1的区别是，这种复位更迅速，不需要等到clkA为低电平，即可完成复位。复位后，经过3个clkB，寄存器2~4相继复位
2结绳法2：利用数据作为异步复位，置位信号。（适合将不足时钟宽度的脉冲扩展1周期）
实例1：输入高脉冲（clka域），输出高脉冲（clkb域）
说明：当clkB因为太慢，没有采到din_clkA时，din_clkA的高电平脉冲会异步置位，即寄存器1从clkA的上升沿开始到clkB的下一个上升沿之间输出为高，寄存器2采样到高电平，并持续1个clkB，高电平持续时间为1个clkB多一点；
当clkB足够快，其上升沿采到了din_clkA时，置位作用从clkA的上升沿开始，跨越了clkB的上升沿，那么输出高电平持续了2个clkB还多一点，因为寄存器1持续了1个周期多一点。
实例2：输入高脉冲（clka域），输出低脉冲（clkb域）
说明：同上
实例3：输入低脉冲（clka域），输出低脉冲（clkb域）
说明：同上
实例4：输入低脉冲（clka域），输出高脉冲（clkb域）
说明：同上
3结绳法3：输入作为数据输入，同样也是检测高有效后，输出一直为高，异步时钟域可以采集到数据后再复位。
因为没有将输入作为时钟，或者作为异步set，reset，所以这类方便比较常用。
参考代码：
//================================================================================
// Created by : Ltd.com
// Filename : sync_clk1_clk2.v
// Author : Python_Wang
// Created On : 2009-02-27 22:47
// Last Modified : 2009-02-28 09:09
// Description :
//
//
//================================================================================
module sync_clk1_clk2(
clk1 ,
rst_n1 ,
clk2 ,
rst_n2 ,
data_clk1_i ,
data_clk2_o
);
input clk1 ;
input rst_n1 ;
input clk2 ;
input rst_n2 ;
input data_clk1_i ;
output data_clk2_o ;
reg data_clk1_q1 ;
reg data_clk1_q2 ;
reg data_clk2_q1 ;
reg data_clk2_q2 ;
reg data_clk2_q3 ;
reg data_clk2_q4 ;
reg data_clk2_q5 ;
wire data_clk1 ;
assign data_clk1 = data_clk1_i | ( !data_clk2_q5 & data_clk1_q1) ;
always@(posedge clk1 or negedge rst_n1)
begin
if(!rst_n1) begin
data_clk1_q1 <= #1 'b0;
data_clk1_q2 <= #1 'b0;
end
else begin
data_clk1_q1 <= #1 data_clk1 ;
data_clk1_q2 <= #1 data_clk1_q1;
end
end
always@(posedge clk2 or negedge rst_n2)
begin
if(!rst_n2) begin
data_clk2_q1 <= #1 'b0;
data_clk2_q2 <= #1 'b0;
data_clk2_q3 <= #1 'b0;
end
else begin
data_clk2_q1 <= #1 data_clk1_q1;
data_clk2_q2 <= #1 data_clk2_q1;
data_clk2_q3 <= #1 data_clk2_q2;
end
end
always@(posedge clk1 or negedge rst_n1)
begin
if(!rst_n1) begin
data_clk2_q4 <= #1 'b0;
data_clk2_q5 <= #1 'b0;
end
else begin
data_clk2_q4 <= #1 data_clk2_q2;
data_clk2_q5 <= #1 data_clk2_q4;
end
end
assign data_clk2_o = data_clk2_q2 & ~data_clk2_q3 ;
endmodule
仿真：
4.结绳法3：利用握手协议：（可以将脉冲无限延长，直到可以采集到数据，然后复位，要考虑产生数据的频率）。
Pulse2Toggle Synchronization Toggle2Pluse
Toggle2Pluse Synchronization Pluse2Toggle
说明： 结绳模块(Pluse2Toggle): 负责延长待采样信号
同步模块(Synchronization)：负责双触发器锁存
解绳模块(Toggle2Pluse)： 负责将长信号转换成脉冲信号
参考代码：
//================================================================================
// Created by : Ltd.com
// Filename : handover.v
// Author : Python_Wang
// Created On : 2009-02-19 19:31
// Last Modified : 2009-02-20 08:38
// Description :
//
//
//================================================================================
module handover(
rst_n ,
ClkA ,
Req_ClkA ,
Ack_ClkA ,
ClkB ,
Dvld_ClkB
);
input rst_n ;
input ClkA ;
input Req_ClkA ;
input ClkB ;
output Ack_ClkA ;
output Dvld_ClkB ;
reg Dvalid_ClkB ;
reg Q_Dvalid_ClkB ;
reg Dvalid_ClkA ;
always@(posedge ClkA)
begin
if(!rst_n) begin
Dvalid_ClkA <= #1 1'b0;
end
else if(Req_ClkA) begin
Dvalid_ClkA <= #1 ~Dvalid_ClkA ;
end
end
reg Q1_ClkB ;
reg Q2_ClkB ;
reg Q3_ClkB ;
always@(posedge ClkB)
begin
if(!rst_n) begin
Q1_ClkB <= #1 'b0;
Q2_ClkB <= #1 'b0;
Q3_ClkB <= #1 'b0;
end
else begin
Q1_ClkB <= #1 Dvalid_ClkA ;
Q2_ClkB <= #1 Q1_ClkB ;
Q3_ClkB <= #1 Q2_ClkB ;
end
end
wire Req_ClkB = Q2_ClkB ^ Q3_ClkB ;
always@(posedge ClkB)
begin
if(!rst_n) begin
Dvalid_ClkB <= #1 'b0;
Q_Dvalid_ClkB <= #1 1'b0;
end
else if(Req_ClkB) begin
Dvalid_ClkB <= #1 ~Dvalid_ClkB ;
Q_Dvalid_ClkB <= #1 Dvalid_ClkB ;
end
end
always@(posedge ClkB)
begin
if(!rst_n) begin
Q_Dvalid_ClkB <= #1 1'b0;
end
else begin
Q_Dvalid_ClkB <= #1 Dvalid_ClkB ;
end
end
reg Q1_ClkA ;
reg Q2_ClkA ;
reg Q3_ClkA ;
always@(posedge ClkA)
begin
if(!rst_n) begin
Q1_ClkA <= #1 'b0 ;
Q2_ClkA <= #1 'b0 ;
Q3_ClkA <= #1 'b0 ;
end
else begin
Q1_ClkA <= #1 Dvalid_ClkB ;
Q2_ClkA <= #1 Q1_ClkA ;
Q3_ClkA <= #1 Q2_ClkA ;
end
end
assign Ack_ClkA = Q2_ClkA ^ Q3_ClkA ;
assign Dvld_ClkB = Dvalid_ClkB & ~Q_Dvalid_ClkB;
endmodule
仿真：
另外对于为了提高速度和准确度的握手操作中，可以将设置一定的握手模块（n>2(clk1+clk2)/Trd),流水操作
结绳就是将单脉冲延长，以方便采集到数据。
结绳的方法归结为2类：
1.利用脉冲的边沿做时钟；
2.利用脉冲的电平(部分场合要求最小脉冲宽度)做选择器或者异步复位，置位。
另外的关键点就是什么时候结绳结束(采集到了数据就要让对方回到初始状态)，
这里的操作也有2种方法：
1.利用采集到的脉冲做异步复位，置位。
2.利用采集到的脉冲再次结绳采集做握手响应信号。
处理的时候应该选择对应的方法。
