基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理——同步設(shè)計(jì)的重要

　　上次提出了一個(gè)處于異步時(shí)鐘域的MCU與FPGA直接通信的實(shí)現(xiàn)方式，其實(shí)在這之前，特權(quán)同學(xué)想列舉一個(gè)異步時(shí)鐘域中出現(xiàn)的很典型的問題。也就是要用一個(gè)反例來說明沒有足夠重視異步通信會(huì)給整個(gè)設(shè)計(jì)帶來什么樣的危害。

　　特權(quán)同學(xué)要舉的這個(gè)反例是真真切切的在某個(gè)項(xiàng)目上發(fā)生過的，很具有代表性。它不僅會(huì)涉及使用組合邏輯和時(shí)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(gè)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能說起吧，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)的功能其實(shí)很簡單的，就是一個(gè)頻率計(jì)，只不過FPGA除了脈沖采集進(jìn)行計(jì)數(shù)外，還要響應(yīng)CPU的控制。

　　圖1 功能模塊

　　CPU的控制總線是指一個(gè)片選信號(hào)和一個(gè)讀選通信號(hào)，當(dāng)二者都有效時(shí)，FPGA需要對(duì)CPU的地址總線進(jìn)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(shí)序

　　對(duì)于這樣“簡單”的功能，不少人可能會(huì)給出類似下面的以組合邏輯為主的實(shí)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(huì)覺得這個(gè)代碼也沒什么問題，功能似乎都實(shí)現(xiàn)了。而且你會(huì)覺得這個(gè)代碼簡潔，也不需要耗費(fèi)多少邏輯就能實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于這種時(shí)鐘滿天飛的設(shè)計(jì)，存在著諸多亞穩(wěn)態(tài)危害爆發(fā)的可能。脈沖信號(hào)和由CPU控制總線產(chǎn)生的選通信號(hào)是來自兩個(gè)異步時(shí)鐘域的信號(hào)。它們作為內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，一個(gè)寫寄存器counter，一個(gè)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(shí)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(hào)pulse和CPU讀選通信號(hào)cpu_cs是異步信號(hào)，pulse什么時(shí)候出現(xiàn)上升沿和cpu_cs什么時(shí)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(jié)果可想而知。計(jì)數(shù)器counter[15:0]正在加一，這個(gè)自增的過程還在進(jìn)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(gè)計(jì)數(shù)器的近似模型。當(dāng)計(jì)數(shù)器自增一的時(shí)候，如果最低位為0，那么自增的結(jié)果只會(huì)使最低位翻轉(zhuǎn);當(dāng)最低位為1，那么自增一的后果除了使最低位翻轉(zhuǎn)，還有可能使其它任何位翻轉(zhuǎn)，比如4’b1111自增一的后果會(huì)使4個(gè)位都翻轉(zhuǎn)。由于每個(gè)位之間從發(fā)生翻轉(zhuǎn)到翻轉(zhuǎn)完成都需要經(jīng)過一段邏輯延時(shí)和走線延時(shí)，對(duì)于一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，要想使這16位寄存器的翻轉(zhuǎn)時(shí)間一致，那是不可能做到的。所以，對(duì)于之前的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了如圖3的沖突時(shí)，被讀取的脈沖值很可能是完全錯(cuò)誤的。

　　圖4 計(jì)數(shù)器模型

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

　　那么，這個(gè)設(shè)計(jì)該如果同步呢?實(shí)現(xiàn)的方案其實(shí)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(shè)計(jì)思想可以如圖5所示。圖5先是使用脈沖檢測(cè)法把脈沖信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)clk同步，然后依然使用脈沖檢測(cè)法得到一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘寬度的使能脈沖作為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，也將CPU的控制信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)clk同步了。如此處理后，兩個(gè)異步時(shí)鐘域的信號(hào)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(cè)法進(jìn)行同步，還有一些其它的同步方式，譬如專用握手信號(hào)同步、異步FIFO等等。

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