數(shù)字信號(hào)在不同時(shí)鐘域間同步電路的設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2011-08-22
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
異步FIFO的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)難點(diǎn)，一是如何實(shí)現(xiàn)兩種異步信號(hào)的同步化問(wèn)題以及如何消除由此產(chǎn)生的壓穩(wěn)態(tài)，二是如何正確的判斷存儲(chǔ)器空和滿(mǎn)的狀態(tài)。
為了提高FIFO的利用率，本文把FIFO組織成環(huán)形隊(duì)列的形式。寫(xiě)指針始終指向下一個(gè)要寫(xiě)的字，讀指針始終指向下一個(gè)要讀的字。為了方便判斷雙端口存儲(chǔ)器的空滿(mǎn)／狀態(tài)，給讀寫(xiě)指針的最高位增加一個(gè)冗余位，把讀寫(xiě)指針定義為[log2N：0]，只有后log2N位是存儲(chǔ)器地址。當(dāng)FIFO第一次被完全寫(xiě)滿(mǎn)的時(shí)候，寫(xiě)指針的值為N，而不是全零，所以可以根據(jù)讀寫(xiě)指針?lè)奖愕呐袛啻鎯?chǔ)器的空滿(mǎn)。當(dāng)讀寫(xiě)地址的存儲(chǔ)器地址和冗余位都相等時(shí)，說(shuō)明讀指針追趕上寫(xiě)指針，即可認(rèn)為FIFO為空：當(dāng)存儲(chǔ)器地址相等而冗余位不相等，即可認(rèn)為FIFO是滿(mǎn)的。
在異步FIFO的設(shè)計(jì)中，讀寫(xiě)指針是在不同的時(shí)鐘域里面產(chǎn)生的，只有同步到一個(gè)時(shí)鐘域里才能進(jìn)行比較。然而，把一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步到另外一個(gè)時(shí)鐘域里會(huì)面臨很大的困難。這是因?yàn)樽匀欢M(jìn)制計(jì)數(shù)器的序列中一半的加1操作需要兩個(gè)或者更多的計(jì)數(shù)器位的翻轉(zhuǎn)。由于電路的固有延遲等原因，這些數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)不一定同時(shí)進(jìn)行，那么就有可能在不同時(shí)鐘域之間造成同步出錯(cuò)，從而導(dǎo)致讀寫(xiě)指針的比較結(jié)果出錯(cuò)。
2．2 用格雷碼實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)指針
有效的解決指針跨時(shí)鐘域傳遞的一個(gè)方法是格雷碼技術(shù)，格雷碼的特點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)編碼之間只有1位不同，消除了在同一個(gè)時(shí)鐘沿多位編碼同時(shí)變化所帶來(lái)的問(wèn)題。格雷碼由二進(jìn)制自然碼右移一位后與原二進(jìn)制碼進(jìn)行異或操作得到，運(yùn)算關(guān)系為：
其中，N為n+1位二進(jìn)制自然碼，G為n+1位格雷碼。
格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)變關(guān)系為：
其中，N[m]為二進(jìn)制碼的第m位，G[m]為格雷碼的第m位。
格雷碼和自然碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系示例如圖4所示，可以看出，直接采用格雷碼進(jìn)行空滿(mǎn)判斷有些不方便，n+1位格雷碼的上下半?yún)^(qū)是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)寫(xiě)指針追趕上讀指針時(shí)，讀寫(xiě)指針的G[n-1：0]并不相等，無(wú)法進(jìn)行滿(mǎn)判斷。本文采用修改后的編碼，如圖4所示，修改后的格雷碼MG[n-1：0]上下半?yún)^(qū)是一個(gè)相等的結(jié)構(gòu)，修改后的編碼只有第n-1位和格雷碼不同，第n-1位按如下方式產(chǎn)生：
其中，MG[n-1]為格雷碼的第n位，MG[n-1]為修改后的編碼的第n-1位。
需要注意的是，修改后的編碼最壞情況下，相鄰的兩個(gè)編碼有兩位不同，因此在跨時(shí)鐘域的時(shí)候仍然采用格雷碼，只有在跨時(shí)鐘域結(jié)束后，進(jìn)行空滿(mǎn)判斷的時(shí)候才對(duì)格雷碼作修改。采用修改后的格雷碼進(jìn)行空滿(mǎn)判斷，比將格雷碼轉(zhuǎn)換到自然二進(jìn)制進(jìn)行判斷節(jié)省運(yùn)算量。例如，n+1位的格雷碼轉(zhuǎn)換到自然二進(jìn)制碼時(shí)，需要(n2+n)／2次異或操作，而轉(zhuǎn)換為修改后的格雷碼，只需n+1次異或操作，節(jié)省(n2-n-2)／2次異或操作(n>1)。
3 結(jié)束語(yǔ)
信號(hào)在不同時(shí)鐘域之間的轉(zhuǎn)換是復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，直接鎖存法和鎖存反饋法可處理控制信號(hào)的同步，異步FIFO在跨時(shí)鐘的數(shù)據(jù)交換方面具有高效的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的修改后的格雷碼可以節(jié)省運(yùn)算量，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要在編碼方法、跨時(shí)鐘域的信號(hào)同步等關(guān)鍵問(wèn)題上謹(jǐn)慎處理。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/178712.htm
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