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在邏輯設(shè)計領(lǐng)域，只涉及單個時鐘域的設(shè)計并不多。尤其對于一些復(fù)雜的應(yīng)用，FPGA往往需要和多個時鐘域的信號進(jìn)行通信。異步時鐘域所涉及的兩個時鐘之間可能存在相位差，也可能沒有任何頻率關(guān)系，即通常所說的不同頻不同相。 圖1是一個跨時鐘域的異步通信實例，發(fā)送域和接收域的時鐘分別是clk_a和clk_b。這兩個時鐘頻率不同，并且存在一定的相位差。對于接收時鐘域而言，來自發(fā)送時鐘域的信號data_a2b有可能在任何時刻變化。 圖1 跨時鐘域通信 對于上述的異步時鐘域通信，設(shè)計者需要做特殊的處理以確保數(shù)據(jù)可靠的傳輸。由于兩個異步時鐘域的頻率關(guān)系不確定，觸發(fā)器之間的建立時間和保持時間要求也無法得到保證。如果出現(xiàn)建立時間或者保持時間違規(guī)，接收域?qū)蓸拥教幱趤喎�(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，那么后果可想而知。 如何有效的進(jìn)行跨時鐘域的信號傳輸呢?最基本的思想是同步，在這個基礎(chǔ)上設(shè)計者可以利用各種協(xié)議約定進(jìn)行通信。單向控制信號檢測方式(前面提到過的脈沖信號檢測方法，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器的方式都是比較常用的處理手段。 本文將重點介紹握手方式進(jìn)行異步時鐘域的通信。 圖2是一個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進(jìn)行狀態(tài)指示。這個控制信號既有發(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檢測方式。 圖2 握手通信原理 使用握手協(xié)議方式處理跨時鐘域數(shù)據(jù)傳輸，只需要對雙方的握手信號(req和ack)分別使用脈沖檢測方法進(jìn)行同步。在具體實現(xiàn)中，假設(shè)req、ack、data總線在初始化時都處于無效狀態(tài)，發(fā)送域先把數(shù)據(jù)放入總線，隨后發(fā)送有效的req信號給接收域。接收域在檢測到有效的req信號后鎖存數(shù)據(jù)總線，然后回送一個有效的ack信號表示讀取完成應(yīng)答。發(fā)送域在檢測到有效ack信號后撤銷當(dāng)前的req信號，接收域在檢測到req撤銷后也相應(yīng)撤銷ack信號，此時完成一次正常握手通信。此后，發(fā)送域可以繼續(xù)開始下一次握手通信，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)，但控制信號握手檢測會消耗通信雙方較多的時間。以上所述的通信流程如圖3所示。 圖3 握手通信流程 下面通過一個簡單的工程代碼及其仿真測試進(jìn)一步加深大家對基本握手協(xié)議的認(rèn)識。 module handshack( clk,rst_n, req,datain,ack,dataout ); input clk; //50MHz系統(tǒng)時鐘 input rst_n; //低電平復(fù)位信號 input req; //請求信號，高電平有效 input[7:0] datain; //輸入數(shù)據(jù) output ack; //應(yīng)答信號，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 reg reqr1,reqr2,reqr3; always @(posedge clk or negedge rst_n) if(!rst_n) begin reqr1 圖4 握手通信仿真波形 |
