基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理——專用握手信號(hào)

　　在邏輯設(shè)計(jì)領(lǐng)域，只涉及單個(gè)時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)并不多。尤其對(duì)于一些復(fù)雜的應(yīng)用，FPGA往往需要和多個(gè)時(shí)鐘域的信號(hào)進(jìn)行通信。異步時(shí)鐘域所涉及的兩個(gè)時(shí)鐘之間可能存在相位差，也可能沒(méi)有任何頻率關(guān)系，即通常所說(shuō)的不同頻不同相。

　　圖1是一個(gè)跨時(shí)鐘域的異步通信實(shí)例，發(fā)送域和接收域的時(shí)鐘分別是clk_a和clk_b。這兩個(gè)時(shí)鐘頻率不同，并且存在一定的相位差。對(duì)于接收時(shí)鐘域而言，來(lái)自發(fā)送時(shí)鐘域的信號(hào)data_a2b有可能在任何時(shí)刻變化。

　　圖1 跨時(shí)鐘域通信

　　對(duì)于上述的異步時(shí)鐘域通信，設(shè)計(jì)者需要做特殊的處理以確保數(shù)據(jù)可靠的傳輸。由于兩個(gè)異步時(shí)鐘域的頻率關(guān)系不確定，觸發(fā)器之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間要求也無(wú)法得到保證。如果出現(xiàn)建立時(shí)間或者保持時(shí)間違規(guī)，接收域?qū)?huì)采樣到處于亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，那么后果可想而知。

　　如何有效的進(jìn)行跨時(shí)鐘域的信號(hào)傳輸呢?最基本的思想是同步，在這個(gè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)者可以利用各種協(xié)議約定進(jìn)行通信。單向控制信號(hào)檢測(cè)方式(前面提到過(guò)的脈沖信號(hào)檢測(cè)方法，這里為了和握手方式相區(qū)別，所以如此稱呼)、握手協(xié)議的方式或者借助存儲(chǔ)器的方式都是比較常用的處理手段。

　　本文將重點(diǎn)介紹握手方式進(jìn)行異步時(shí)鐘域的通信。

　　圖2是一個(gè)基本的握手通信方式。所謂握手，意即通信雙方使用了專用控制信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)指示。這個(gè)控制信號(hào)既有發(fā)送域給接收域的，也有接收域給發(fā)送域的，有別于前面的單向控制信號(hào)檢測(cè)方式。

　　圖2 握手通信原理

　　使用握手協(xié)議方式處理跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸，只需要對(duì)雙方的握手信號(hào)(req和ack)分別使用脈沖檢測(cè)方法進(jìn)行同步。在具體實(shí)現(xiàn)中，假設(shè)req、ack、data總線在初始化時(shí)都處于無(wú)效狀態(tài)，發(fā)送域先把數(shù)據(jù)放入總線，隨后發(fā)送有效的req信號(hào)給接收域。接收域在檢測(cè)到有效的req信號(hào)后鎖存數(shù)據(jù)總線，然后回送一個(gè)有效的ack信號(hào)表示讀取完成應(yīng)答。發(fā)送域在檢測(cè)到有效ack信號(hào)后撤銷當(dāng)前的req信號(hào)，接收域在檢測(cè)到req撤銷后也相應(yīng)撤銷ack信號(hào)，此時(shí)完成一次正常握手通信。此后，發(fā)送域可以繼續(xù)開(kāi)始下一次握手通信，如此循環(huán)。該方式能夠使接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，有效的避免了亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，但控制信號(hào)握手檢測(cè)會(huì)消耗通信雙方較多的時(shí)間。以上所述的通信流程如圖3所示。

　　圖3 握手通信流程

　　下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的工程代碼及其仿真測(cè)試進(jìn)一步加深大家對(duì)基本握手協(xié)議的認(rèn)識(shí)。

　　module handshack(

　　clk,rst_n,

　　req,datain,ack,dataout

　　);

　　input clk; //50MHz系統(tǒng)時(shí)鐘

　　input rst_n; //低電平復(fù)位信號(hào)

　　input req; //請(qǐng)求信號(hào)，高電平有效

　　input[7:0] datain; //輸入數(shù)據(jù)

　　output ack; //應(yīng)答信號(hào)，高電平有效

　　output[7:0] dataout;//輸出數(shù)據(jù)，主要用于觀察是否和輸入一致

　　//--------------------------------------

　　//req上升沿檢測(cè)

　　reg reqr1,reqr2,reqr3;

　　always @(posedge clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) begin

　　reqr1 <= 1'b1;

　　reqr2 <= 1'b1;

　　reqr3 <= 1'b1;

　　end

　　else begin

　　reqr1 <= req;

　　reqr2 <= reqr1;

　　reqr3 <= reqr2;

　　end

　　//pos_req2比pos_req1延后一個(gè)時(shí)鐘周期，確保數(shù)據(jù)被穩(wěn)定鎖存

　　wire pos_req1 = reqr1 & ~reqr2; //req上升沿標(biāo)志位，高有效一個(gè)時(shí)鐘周期

　　wire pos_req2 = reqr2 & ~reqr3; //req上升沿標(biāo)志位，高有效一個(gè)時(shí)鐘周期

　　//--------------------------------------

　　//數(shù)據(jù)鎖存

　　reg[7:0] dataoutr;

　　always @(posedge clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) dataoutr <= 8'h00;

　　else if(pos_req1) dataoutr <= datain; //檢測(cè)到req有效后鎖存輸入數(shù)據(jù)

　　assign dataout = dataoutr;

　　//--------------------------------------

　　//產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)ack

　　reg ackr;

　　always @(posedge clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) ackr <= 1'b0;

　　else if(pos_req2) ackr <= 1'b1;

　　else if(!req) ackr <= 1'b0;

　　assign ack = ackr;

　　endmodule

　　該實(shí)例的verilog代碼模擬了握手通信的接收域，其仿真波形如圖4所示。在發(fā)送域請(qǐng)求信號(hào)(req)有效的若干個(gè)時(shí)鐘周期后，先是數(shù)據(jù)(datain)被有效鎖存了(dataout)，然后接收域的應(yīng)答信號(hào)(ack)也處于有效狀態(tài)，此后發(fā)送域撤銷請(qǐng)求信號(hào)，接收域也跟著撤銷了應(yīng)答信號(hào)，由此完成一次通信。

　　圖4 握手通信仿真波形