摘 要：本文提出了多時鐘域邏輯設計中的一般問題，介紹了異步電路設計中同步化處理的重要作用，分析了觸發(fā)器失效的原因和幾種可行的解決亞穩(wěn)態(tài)失效的方法。
關鍵詞：多時鐘域；異步電路；亞穩(wěn)態(tài)；同步器

引言
    在數(shù)字電路設計中，大部分設計都是同步時序設計，所有的觸發(fā)器都是在同一個時鐘節(jié)拍下進行翻轉(zhuǎn)。這樣就簡化了整個設計，后端綜合、布局布線的時序約束也不用非常嚴格。但是在設計與外部設備的接口部分時，大部分外部輸入的信號與本地時鐘是異步的。在SoC設計中，可能同時存在幾個時鐘域，信號的輸出驅(qū)動和輸入采樣在不同的時鐘節(jié)拍下進行，可能會出現(xiàn)一些不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文分析了在跨時鐘域信號傳遞時可能會遇見的問題，并介紹了幾種處理異步時鐘域接口的方法。

圖1 多時鐘域的信號傳遞

圖2  異步信號傳輸通過不同路徑

圖3  同步器的構(gòu)建和使用

圖4　 兩級采樣的同步器

圖5  一級采樣的同步器故障

圖6 兩級采樣的同步器

亞穩(wěn)態(tài)
    當觸發(fā)器的建立時間和保持時間要求沒有得到滿足時，觸發(fā)器就會進入一個界于邏輯1和邏輯0之間的第三種狀態(tài)，即亞穩(wěn)態(tài)。

    理想的觸發(fā)器是在時鐘邊沿到達的那個時刻采樣數(shù)據(jù)。但是在實際電路中，時鐘的跳變具有一定的斜率，電路采樣、保存、傳遞數(shù)據(jù)也需要一定的時間。如果在數(shù)據(jù)還未穩(wěn)定時進行采樣，就可能會導致亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。

    平均無故障時間MTBF（Mean time between failures）是指任意兩次故障出現(xiàn)的間隔時間的期望值。一個系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)的MTBF是和系統(tǒng)頻率、器件速度相關的指數(shù)函數(shù)：
    
    公式中的tr是有效的亞穩(wěn)態(tài)最大分辨時間，是指觸發(fā)器能夠保持亞穩(wěn)態(tài)輸出，并不會引起故障的時間。f是觸發(fā)器的時鐘頻率。是異步輸入每秒變化的次數(shù)。To和是由觸發(fā)器的電氣特性決定的參數(shù)，可用于表征觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)速度的快慢。增加tr，或者減小To、、或f都可以加大MTBF，即使兩次故障出現(xiàn)的時間間隔加大。但在一般情況下，系統(tǒng)中的tr和f是固定的，故只能通過減小To、t或a來改善系統(tǒng)。降低輸入信號的變化頻率a可以滿足建立時間和保持時間的要求。而To、t是器件的固有性質(zhì)，只有用速度更快的器件才能減小它們。

多時鐘域下同步器的設計與分析
    當在某個時鐘邊沿采樣一個變化的數(shù)據(jù)信號時，時鐘邊沿和數(shù)據(jù)變化這兩個事件出現(xiàn)的先后順序?qū)Q定結(jié)果。這兩個事件出現(xiàn)先后的差異越小，判斷哪個事件先到來所花的時間就越多。當兩個事件到來太接近時，就會使判決所花的時間超過規(guī)定的分辨時間，從而導致故障發(fā)生。

異步信號傳輸?shù)膯栴}分析
    如果信號跨越不同的時鐘域，就有可能會出現(xiàn)不滿足建立時間和保持時間的情況。如圖1所示，信號A經(jīng)過組合邏輯傳遞到模塊B中的觸發(fā)器，若信號A到達時間與模塊B的時鐘邊沿非常接近，模塊B中的觸發(fā)器就會工作在不確定的亞穩(wěn)態(tài)。如果這個亞穩(wěn)態(tài)持續(xù)了一個周期，就會影響到下一級的觸發(fā)器，最終產(chǎn)生連鎖反應，使整個芯片的功能發(fā)生混亂。

    另外一種可能出現(xiàn)的現(xiàn)象如圖2所示，由于在實際電路中存在延時，圖中采樣同一個異步信號的兩個D觸發(fā)器無法按理想狀況接收到時鐘信號和輸入信號。因此，當異步輸入在時鐘邊沿發(fā)生變化時，會出現(xiàn)在一段時間內(nèi)，兩個觸發(fā)器的輸出值SYN1和SYN2不一致的情況。這種不一致將會導致系統(tǒng)出現(xiàn)不正確的操作。

    另外，圖2中組合邏輯電路中的不同通路不可避免的具有不同的延時，因此，產(chǎn)生不一致結(jié)果的可能性就更大，這種情況在有異步信號輸入的狀態(tài)機里特別普遍。例如，某個VME總線接口芯片，用于完成VME總線時序到MC6000系列CPU時序的轉(zhuǎn)換。CPU時鐘是50MHz，VME總線系統(tǒng)的時鐘是64MHz。VME總線是異步總線，存在很多跨越時域的握手信號，如果不使用同步器對與狀態(tài)機的狀態(tài)變量相關的信號進行同步化處理，就會出現(xiàn)故障。

同步器在多時鐘域設計中的應用
    同步器的功能是采樣異步輸入信號，并使產(chǎn)生的輸出信號滿足同步系統(tǒng)的建立時間和保持時間的要求。簡單的同步器一般采用D觸發(fā)器來構(gòu)成。圖3中，D觸發(fā)器的每一個時鐘觸發(fā)沿采樣異步輸入信號，并產(chǎn)生一個同步后的輸出信號。要構(gòu)建更好的同步器可以采用更快速的觸發(fā)器，減小采樣保持時間，使器件能夠更快地采樣到信號；或者增加MTBF方程中的tr值，等信號穩(wěn)定后再采樣，這可以通過延時采樣來實現(xiàn)。

    圖4為最常用的一種同步器，與一級同步相比，兩級同步能夠更可靠地避免亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，而三級以上同步器的效果并不能提高多少。

同步器故障分析
    如果同步器的建立時間和保持時間得不到滿足，那么觸發(fā)器同樣會進入亞穩(wěn)態(tài)。這個亞穩(wěn)態(tài)通過不同的延時傳到組合邏輯中，一部分電路把這個信號識別為邏輯1，一部分又將其識別為邏輯0，也會導致系統(tǒng)邏輯的混亂。

    下面將比較一下一級同步器和兩級采樣同步器的差異。

    一級同步器如圖5所示，aclk時鐘域產(chǎn)生的信號adat的變化與bclk時鐘域時鐘的邊沿采樣太接近，未滿足采樣保持時間。同步器故障導致輸出出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，且在下一個時鐘邊沿到來之前，不會變成穩(wěn)態(tài)。此輸出傳遞到后面的組合邏輯中，導致系統(tǒng)混亂。

    兩級同步器如圖6所示，當?shù)谝患売|發(fā)器采樣異步輸入之后，允許輸出出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)可以長達一個周期，在這個周期內(nèi)，亞穩(wěn)態(tài)特性減弱。在第二個時鐘沿到來時，第二級同步器采樣，之后才把該信號傳遞到內(nèi)部邏輯中去。第二級輸出是穩(wěn)定且已被同步了的。如果在第二級采樣時第一級的輸出仍然處于很強的亞穩(wěn)態(tài)，將會導致第二級同步器也進入亞穩(wěn)態(tài)，但這種故障出現(xiàn)的概率比較小。

    兩級同步器總體的故障概率是一級同步器故障概率的平方。例如，對74LS74系列器件來說， TO=0.4s，t=1.5ns，建立時間ts=20ns。設時鐘頻率為10MHz，則同步器分辨時間tr=80ns。若異步信號變化頻率a=100kHz，則一級同步器的平均無故障時間為：

    兩級同步器的MTBF為[MTBF(80ns)]2=1.296×1023s。在大部分的同步化設計中，兩級同步器足以消除所有可能的亞穩(wěn)態(tài)了。

結(jié)語
    在異步設計時，同步化和亞穩(wěn)態(tài)的問題是難以避免的。本文對該類問題做了較為詳細的分析。文中介紹的同步器解決亞穩(wěn)態(tài)和同步化的方案簡單、可行性較高，能夠滿足絕大部分的邏輯設計。