基于FPGA的跨時鐘域信號處理——同步設計的重要

　　上次提出了一個處于異步時鐘域的MCU與FPGA直接通信的實現(xiàn)方式，其實在這之前，特權同學想列舉一個異步時鐘域中出現(xiàn)的很典型的問題。也就是要用一個反例來說明沒有足夠重視異步通信會給整個設計帶來什么樣的危害。

　　特權同學要舉的這個反例是真真切切的在某個項目上發(fā)生過的，很具有代表性。它不僅會涉及使用組合邏輯和時序邏輯在異步通信中的優(yōu)劣、而且能把亞穩(wěn)態(tài)的危害活生生的展現(xiàn)在你面前。

　　從這個模塊要實現(xiàn)的功能說起吧，如圖1所示，實現(xiàn)的功能其實很簡單的，就是一個頻率計，只不過FPGA除了脈沖采集進行計數(shù)外，還要響應CPU的控制。

　　圖1 功能模塊

　　CPU的控制總線是指一個片選信號和一個讀選通信號，當二者都有效時，FPGA需要對CPU的地址總線進行譯碼，然后把采樣脈沖值送到CPU的數(shù)據(jù)總線上。

　　圖2 CPU讀時序

　　對于這樣“簡單”的功能，不少人可能會給出類似下面的以組合邏輯為主的實現(xiàn)方式：

input clk;

　　input rst_n;

　　input pulse;

　　input cs_n;

　　input rd_n;

　　input[3:0] addr_bus;

　　output reg[15:0] data_bus;

　　reg[15:0] counter;

　　always @(posedge pulse or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) counter <= 16'd0;

　　else if(pulse) counter <= counter+1'b1;

　　wire dsp_cs = cs_n & rd_n;

　　always @(dsp_cs or addr_bus)

　　if(dsp_cs) data_bus <= 16'hzzzz;

　　else begin

　　case(addr_bus)

　　4'h0: data_bus <= counter;

　　4'h1: ……;

　　……

　　default: ;

　　endcase

　　end

　　咋一看，可能你會覺得這個代碼也沒什么問題，功能似乎都實現(xiàn)了。而且你會覺得這個代碼簡潔，也不需要耗費多少邏輯就能實現(xiàn)。但是，對于這種時鐘滿天飛的設計，存在著諸多亞穩(wěn)態(tài)危害爆發(fā)的可能。脈沖信號和由CPU控制總線產(chǎn)生的選通信號是來自兩個異步時鐘域的信號。它們作為內(nèi)部的時鐘信號時，一個寫寄存器counter，一個讀寄存器counter。那么，很明顯的，存在著發(fā)生沖突的可能。換句話說，如果寄存器正處于改變狀態(tài)(被寫)時被讀取了，問題就隨著而來，如圖3所示。

　　圖3 數(shù)據(jù)沖突

　　脈沖信號pulse和CPU讀選通信號cpu_cs是異步信號，pulse什么時候出現(xiàn)上升沿和cpu_cs什么時候出現(xiàn)下降沿是不可控的。所以，如果它們很不幸的一起觸發(fā)了，那么，結果可想而知。計數(shù)器counter[15:0]正在加一，這個自增的過程還在進行中，CPU數(shù)據(jù)總線data_bus[15:0]來讀取counter[15:0]，那么到底讀取的值是自增之前的值還是自增之后的值呢?或者是其它的值呢?

　　所示，它是一個計數(shù)器的近似模型。當計數(shù)器自增一的時候，如果最低位為0，那么自增的結果只會使最低位翻轉;當最低位為1，那么自增一的后果除了使最低位翻轉，還有可能使其它任何位翻轉，比如4’b1111自增一的后果會使4個位都翻轉。由于每個位之間從發(fā)生翻轉到翻轉完成都需要經(jīng)過一段邏輯延時和走線延時，對于一個16位的計數(shù)器，要想使這16位寄存器的翻轉時間一致，那是不可能做到的。所以，對于之前的設計中出現(xiàn)了如圖3的沖突時，被讀取的脈沖值很可能是完全錯誤的。

　　圖4 計數(shù)器模型

　　上面的代碼是最典型的組合邏輯實現(xiàn)方式，是很不可行的。也許很多朋友會提出異議，也許還會提出很多類似的組合邏輯方案。但是，如果沒有同步設計的思想，不把這兩個異步時鐘域的信號同步到一個時鐘域里進行處理，沖突的問題在無法得到有效解決的。

　　那么，這個設計該如果同步呢?實現(xiàn)的方案其實上一次提到FPGA與MCU通信的博文里已經(jīng)給出了答案。它的設計思想可以如圖5所示。圖5先是使用脈沖檢測法把脈沖信號與系統(tǒng)時鐘信號clk同步，然后依然使用脈沖檢測法得到一個系統(tǒng)時鐘寬度的使能脈沖作為數(shù)據(jù)鎖存信號，也將CPU的控制信號和系統(tǒng)時鐘信號clk同步了。如此處理后，兩個異步時鐘域的信號就不存在任何讀寫沖突的情況了。

　　圖5 同步處理

　　這里提出來的解決方案就是使用了脈沖檢測法進行同步，還有一些其它的同步方式，譬如專用握手信號同步、異步FIFO等等。

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