cdc跨时钟域处理-结绳握手法

参考文档

https://blog.csdn.net/u011412586/article/details/10009761

前言

对于信号需要跨时钟域处理而言，最重要的就是确保数据能稳定的传送到采样时钟域。

普通的cdc处理方法需要关注时钟域速度的异同，即分慢时钟域到快时钟域、快时钟域到慢时钟域、相位关系等问题，会让人瞬间爆炸。

那么，是否有一种相对稳定，又无需关注传送时钟域和接收时钟域两者时钟速度、相位关系的数据传递方式呢？

这里仿真验证握手结绳法，自己想的，不知道跟结绳法是不是一致的。。。。。。

思考方式为：要绝对的保证数据被接收，自然是握手应答机制。

 

流程

首先考虑亚稳态说明：对于异步信号的采集，不可避免的会有亚稳态，但亚稳态的恢复时间一般为1个时钟或者两个时钟，同样其不会是0、1的中间值，而是一个开发者无法确定的定值，同时你的时钟频率越高，亚稳态发生的概率就越大。

网上感觉都说的不明就里，对于简单的使用多级触发器，然后使用最高的2bit进行边沿检测，目测是不行的。

可以理解为仿真中的x值，但数字电路的本质上是有值的，要么0，要么1。

所以如果是检测一个信号的上升沿，即使采到亚稳态，那就分两种情况：

（1）边沿比较陡峭，时钟只采到1次亚稳态，那么边沿寄存器的值就可能为:00、01。检测到00，下一次就会采到01。如果是检测到01，就是想要的沿。

（2）边沿一点都不陡峭，导致时钟采到两次甚至更多次的亚问题，那这就没得玩了。因为你不知道当前是00\01\10\11，这就可能导致你的后续逻辑完蛋了。

当然这里第二种情况不予考虑，FPGA内部不太可能出现这么糟糕的上升沿，除非你的时钟过快，在时钟沿到来前，亚稳态还没有恢复过来。

极端的处理方式是（本质上是滤波）：用更多位的寄存器，比如8bit，当检测到为8'b0000_1111，那就是上升沿啦，虽然这阔以绝对可靠的检测到边沿，但检测出沿的所用的时间更长，同时需要保证前级信号的高低电平长度，否则就被滤波了。。。。。。

所以，信号的边沿陡峭性是很重要的，专业术语叫做：上升时间、下降时间。

言归正传，那么握手结绳法是咋样的操作呢？

如下图所示：有点复杂

如图所示，则操作流程为：上述方法应该是支持多bit数据跨时钟域的，这里的多bit说的是FPGA内部数据，pulse_clk1表示发送数据使能，clk1检测到使能则拉高pulse_delay_clk1开始结绳。在clk2中，检测到clk1中的结绳信号的上升沿则产生pulse_clk2，clk2检测到pulse_clk2则启动clk2中的结绳pulse_delay_clk2，在clk1中检测到clk2中的结绳信号为高则解掉clk1的结绳。在clk2中检测到clk1的结绳拉低,则解绳clk2中的结绳信号pulse_delay_clk2,完成传输。

待传送数据在clk2的结绳上升沿被采样。

busy信号为clk1中的信号，在clk1的发送数据使能到来则拉高，在pulse_delay_clk2的下降沿则拉低。

可以看到，这种方式只适合少量的慢速的数据传输。

 

源代码

 

`timescale 1ns/1ps
module cdc_test (
    input               i_clk1               ,
    input               i_clk2               ,
    // input               i_rst_n              ,
    input               i_en_clk1            ,
    input     [15:0]    i_data_clk1          ,
    output              o_busy_clk1          ,
    output              o_valid_clk2         ,
    output    [15:0]    o_data_clk2             
);
////clk1
////clk1的发送使能边沿检测
reg [1:0] r_en_clk1_edge = 2'b00;
always @(posedge i_clk1)
begin
    r_en_clk1_edge <= {r_en_clk1_edge[0],i_en_clk1};
end
reg r_en_clk2 = 1'b0;////clk2的使能边沿检测
reg [1:0] r_en_clk2_edge = 2'b00;
always @(posedge i_clk1)
begin
    r_en_clk2_edge <= {r_en_clk2_edge[0],r_en_clk2};
end
reg r_en_expand = 1'b0; ////clk1的使能延长
always @(posedge i_clk1)
begin
    if (r_en_clk1_edge == 2'b01) 
        r_en_expand <= 1'b1;
    else if (r_en_clk2_edge == 2'b01)
        r_en_expand <= 1'b0;
end
reg r_busy_clk1 = 1'b0; ////传输忙碌指示，忙碌的时候clk1的数据不可发生改变
always @(posedge i_clk1)
begin
    if (r_en_clk1_edge == 2'b01)
        r_busy_clk1 <= 1'b1;
    else if (r_en_clk2_edge == 2'b10)
        r_busy_clk1 <= 1'b0;
end

////clk2
reg [1:0] r_en_expand_edge = 2'b00; ////clk1的扩展后的使能边沿检测
always @(posedge i_clk2)
begin
    r_en_expand_edge <= {r_en_expand_edge[0],r_en_expand};
end

always @(posedge i_clk2) ////clk2中的使能
begin
    if (r_en_expand_edge == 2'b01)
        r_en_clk2 <= 1'b1;
    else if (r_en_expand_edge == 2'b10)
        r_en_clk2 <= 1'b0;
end

reg r_valid_clk2 = 1'b0;
always @(posedge i_clk2)
begin
    if (r_en_expand_edge == 2'b01) ////上升沿表示数据有效
        r_valid_clk2 <= 1'b1;
    else 
        r_valid_clk2 <= 1'b0;
end
reg [15:0] r_data_clk2 = 16'd0;
always @(posedge i_clk2)
begin
    if (r_en_expand_edge == 2'b01) ////上升沿刷新数据
        r_data_clk2 <= i_data_clk1;
end

////信号输出

assign o_busy_clk1  = r_busy_clk1;
assign o_valid_clk2 = r_valid_clk2;
assign o_data_clk2  = r_data_clk2;


endmodule // end the cdc_test model

 

仿真看看。

可以看到数据正确传输，不管是快到慢还是慢到快。

以后再板级测试啦。

以上。