电路设计漫谈之 - 同步/异步设计及metastability

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(信息来源：EETOP BBS  作者：sun_ic)
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同步设计，异步设计，以及metastability

数字电路设计一般是采用同步设计技术。除非在某些特殊的局部场合，有人用时钟延时的补偿达到更高的处理速度。但在大多数情况下，应该遵循同步设计的理念。所谓同步设计指的是对于所设计的一个电路而言，所有logic在一个时钟的domain。这点很重要，因为大量复杂的logic不能靠人工或者工具一点点的验证。靠得是遵循一些统一的timing约束。而这样的约束在同一个时钟domain内描述出来比较容易。所以如果在一个设计中最好用一个统一的时钟。如果有不同的电路运行在不同的时钟速率怎么办？一般有以下几个办法

1）采用通用的时钟，对需要不同时钟速率的电路使用同步使能控制。比如memory的处理，MCU的bus，等等
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* f! ^8 |% v# ^9 X5 z6 i2）对于同源的不同速率的数据间的转换，尤其是对于同速率不同相位的，采用FIFO来处理。这在采用总线背板的多插件系统中，同步不同linecard来的数据中很是普遍。比如光通信系统的设计，SDH/SONET的phase alignment/pointer processing经常用这种方式。

有时有些简单的电路也可以采用逻辑电路实现，但要十分小心setup时间的保证。一般初学者最容易采用这种方式。但建议在变成中高手后再使用

; L3 g/ U- l2 t5 w$ s3）对于不同源，或者速率不同的数据之间的转换，实现起来比较复杂。这需要采用异步FIFO来做。在下认为异步FIFO的设计，与用RAM的lookup table设计，DRAM做大量独立的buffer/FIFO的设计等一起，构成了数字logic设计的高级境界。
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% I3 L0 b: n3 M* }, B/ j& \% k+ G在不同时钟domain间的数据转换，主要考虑的是metastability。假设有两个不同源的时钟A和B,时钟B取样产生于时钟A的数据。总有可能会取样在数据的变化沿，这就可能产生取样结果的不确定性。解决这一问题的方式有几个（也可能有别的方法，请有经验的DX分享一下）

: [) v3 F$ Z  [' Ji）如果被取样的数据是一个bit，可采用如下的double clock的方式去除metastability
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& i' U( }( g( w4 ]/ y1 r. Nii) 如果被取样的数据多于一个bit，以上所述的方式不能完全消除metastability。因为如果有两个bit同时在switching时被另一个domain的时钟取样，即使double clock也有一个时钟的不确定性的可能。这时异步FIFO是最好的选择。

在异步FIFO设计中需要对read和write的地址进行比较，以产生Full和empty的指示。一个可能的方法是采用GRAY编码的方式解决。这种编码的特点是每个时钟周期只有一个bit发生变化。这时再采用double clock技术就不会产生metastability了。
注意GRAY编码其实是在时钟domain变换中的一个接口。数据转变到新的domain中后还要转换为正常的binary。
一个4-bit GRAY编码的例子:  0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

所以利用double clock和GRAY编码的方法先设计AFIFO，然后就可在不同timing domain之间转换任意宽度的数据。
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