跨時(shí)鐘域處理是 FPGA 設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，而如何處理好跨時(shí)鐘域間的數(shù)據(jù)，可以說(shuō)是每個(gè) FPGA 初學(xué)者的必修課。如果是還在校生，跨時(shí)鐘域處理也是面試中經(jīng)常常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題。

這里主要介紹三種跨時(shí)鐘域處理的方法，這三種方法可以說(shuō)是 FPGA 界最常用也最實(shí)用的方法，這三種方法包含了單 bit 和多 bit 數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理，學(xué)會(huì)這三招之后，對(duì)于 FPGA 相關(guān)的跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)處理便可以手到擒來(lái)。

這里介紹的三種方法跨時(shí)鐘域處理方法如下：

打兩拍；

異步雙口 RAM；

格雷碼轉(zhuǎn)換。

01

方法一：打兩拍

大家很清楚，處理跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)有單 bit 和多 bit 之分，而打兩拍的方式常見(jiàn)于處理單 bit 數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域問(wèn)題。

打兩拍的方式，其實(shí)說(shuō)白了，就是定義兩級(jí)寄存器，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行延拍。

應(yīng)該很多人都會(huì)問(wèn)，為什么是打兩拍呢，打一拍、打三拍行不行呢？

先簡(jiǎn)單說(shuō)下兩級(jí)寄存器的原理：兩級(jí)寄存是一級(jí)寄存的平方，兩級(jí)并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)危害，但是提高了可靠性減少其發(fā)生概率?？偟膩?lái)講，就是一級(jí)概率很大，三級(jí)改善不大。

data 是時(shí)鐘域 1 的數(shù)據(jù)，需要傳到時(shí)鐘域 2(clk)進(jìn)行處理，寄存器 1 和寄存器 2 使用的時(shí)鐘都為 clk。假設(shè)在 clk 的上升沿正好采到 data 的跳變沿（從 0 變 1 的上升沿，實(shí)際上的數(shù)據(jù)跳變不可能是瞬時(shí)的，所以有短暫的跳變時(shí)間），那這時(shí)作為寄存器 1 的輸入到底應(yīng)該是 0 還是 1 呢？這是一個(gè)不確定的問(wèn)題。所以 Q1 的值也不能確定，但至少可以保證，在 clk 的下一個(gè)上升沿，Q1 基本可以滿足第二級(jí)寄存器的保持時(shí)間和建立時(shí)間要求，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率得到了很大的改善。

如果再加上第三級(jí)寄存器，由于第二級(jí)寄存器對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)的處理已經(jīng)起到了很大的改善作用，第三級(jí)寄存器在很大程度上可以說(shuō)只是對(duì)于第二級(jí)寄存器的延拍，所以意義是不大的。

02

方法二：異步雙口 RAM

處理多 bit 數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域，一般采用異步雙口 RAM。假設(shè)我們現(xiàn)在有一個(gè)信號(hào)采集平臺(tái)，ADC 芯片提供源同步時(shí)鐘 60MHz，ADC 芯片輸出的數(shù)據(jù)在 60MHz 的時(shí)鐘上升沿變化，而 FPGA 內(nèi)部需要使用 100MHz 的時(shí)鐘來(lái)處理 ADC 采集到的數(shù)據(jù)（多 bit）。在這種類(lèi)似的場(chǎng)景中，我們便可以使用異步雙口 RAM 來(lái)做跨時(shí)鐘域處理。

先利用 ADC 芯片提供的 60MHz 時(shí)鐘將 ADC 輸出的數(shù)據(jù)寫(xiě)入異步雙口 RAM，然后使用 100MHz 的時(shí)鐘從 RAM 中讀出。對(duì)于使用異步雙口 RAM 來(lái)處理多 bit 數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域，相信大家還是可以理解的。當(dāng)然，在能使用異步雙口 RAM 來(lái)處理跨時(shí)鐘域的場(chǎng)景中，也可以使用異步 FIFO 來(lái)達(dá)到同樣的目的。

03

方法三：格雷碼轉(zhuǎn)換

我們依然繼續(xù)使用介紹第二種方法中用到的 ADC 例子，將 ADC 采樣的數(shù)據(jù)寫(xiě)入 RAM 時(shí)，需要產(chǎn)生 RAM 的寫(xiě)地址，但我們讀出 RAM 中的數(shù)據(jù)時(shí)，肯定不是一上電就直接讀取，而是要等 RAM 中有 ADC 的數(shù)據(jù)之后才去讀 RAM。這就需要 100MHz 的時(shí)鐘對(duì) RAM 的寫(xiě)地址進(jìn)行判斷，當(dāng)寫(xiě)地址大于某個(gè)值之后再去讀取 RAM。

在這個(gè)場(chǎng)景中，其實(shí)很多人都是使用直接用 100MHz 的時(shí)鐘與 RAM 的寫(xiě)地址進(jìn)行打兩拍的方式，但 RAM 的寫(xiě)地址屬于多 bit，如果單純只是打兩拍，那不一定能確保寫(xiě)地址數(shù)據(jù)的每一個(gè) bit 在 100MHz 的時(shí)鐘域變化都是同步的，肯定有一個(gè)先后順序。如果在低速的環(huán)境中不一定會(huì)出錯(cuò)，在高速的環(huán)境下就不一定能保證了。所以更為妥當(dāng)?shù)囊环N處理方法就是使用格雷碼轉(zhuǎn)換。

對(duì)于格雷碼，相鄰的兩個(gè)數(shù)間只有一個(gè) bit 是不一樣的（格雷碼，在本文中不作詳細(xì)介紹），如果先將 RAM 的寫(xiě)地址轉(zhuǎn)為格雷碼，然后再將寫(xiě)地址的格雷碼進(jìn)行打兩拍，之后再在 RAM 的讀時(shí)鐘域?qū)⒏窭状a恢復(fù)成 10 進(jìn)制。這種處理就相當(dāng)于對(duì)單 bit 數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理了。

對(duì)于格雷碼與十進(jìn)制互換的代碼，僅提供給大家作參考：

代碼使用的是函數(shù)的形式，方便調(diào)用，op 表示編碼或者譯碼，WADDRWIDTH 和 RADDRWIDTH 表示位寬。

審核編輯黃昊宇