跨越鴻溝：同步世界中的異步信號

　　握手與 FIFO

　　在許多應用中，跨時(shí)鐘域傳送的不只是簡(jiǎn)單的信號，數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)都會(huì )同時(shí)跨域傳輸。工程師們用一些其它的手段來(lái)處理這些情況，如握手協(xié)議和 FIFO 等。

　　當幾個(gè)電路不能預知相互的響應時(shí)間時(shí)，握手方法能讓數字電路間實(shí)現有效的通信。例如，仲裁總線(xiàn)結構可以讓一個(gè)以上的電路請求使用單個(gè)的總線(xiàn)，用仲裁方法來(lái)決定哪個(gè)電路可以獲得總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)權，例如 PCI 或 AMBA(高級微控制器總線(xiàn)架構)。每個(gè)電路都發(fā)出一個(gè)請求信號，由仲裁邏輯決定誰(shuí)是“贏(yíng)家”。獲勝的電路會(huì )收到一個(gè)應答，表示它可以訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。該電路于是中斷請求，開(kāi)始使用總線(xiàn)。

　　不同時(shí)鐘域電路使用的握手協(xié)議有兩種基本類(lèi)型：全握手(Full-handshake)和部分握手(partial-handshake)。每種類(lèi)型的握手都要用同步器，每種都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。對全握手信號，雙方電路在聲明或中止各自的握手信號前都要等待對方的響應(圖 4)。首先，電路 A 聲明它的請求信號，然后，電路 B 檢測到該請求信號有效后，聲明它的響應信號。當電路 A 檢測到響應信號有效后，中止自己的請求信號。最后，當電路 B 檢測到請求無(wú)效后，它中止自己的響應信號。除非電路 A 檢測到無(wú)效的響應信號，否則它不會(huì )再聲明新的請求信號。

　　圖4，對全握手信號，雙方電路在聲明或中止各自的握手信號前都要等待對方的響應。

　　這種類(lèi)型的握手使用了電平同步器。設計人員將這種技術(shù)用在如下情況：響應電路(電路 B)需要告知請求電路(電路 A)它可以處理請求。這種握手方法要求請求電路延遲它的下一個(gè)請求，直到它檢測到響應信號無(wú)效?？梢杂媒?jīng)驗估算法判斷這個(gè)協(xié)議的時(shí)序：信號跨越一個(gè)時(shí)鐘域要花兩個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間，信號在跨越多個(gè)時(shí)鐘域前被電路寄存。全部的時(shí)間序列是：A 時(shí)鐘域中最多五個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多六個(gè)周期。全握手類(lèi)型很強健，因為通過(guò)檢測請求與響應信號，每個(gè)電路都清楚地知道對方的狀態(tài)。這種方式的不足之處是完成所有交互的整個(gè)過(guò)程要花費很多時(shí)鐘周期。

　　另一種類(lèi)型是部分握手，它可以縮短這些事件的過(guò)程。使用部分握手信號時(shí)，通信雙方的電路都不等對方的響應就中止各自的信號，并繼續執行握手命令序列。部分握手類(lèi)型比全握手類(lèi)型在健壯性方面稍弱，因為握手信號并不指示各自電路的狀態(tài)，每一電路都必須保存狀態(tài)信息(在全握手信號里這個(gè)信息被送出去)。但是，由于無(wú)需等待其它電路的響應，完整的事件序列花費時(shí)間較少。

　　當使用部

　　分握手信號方式時(shí)，響應的電路必須以正確的時(shí)序產(chǎn)生它的信號。如果響應電路要

　　求先處理完一個(gè)請求，然后才能處理下一個(gè)請求，則響應信號的時(shí)序就很重要。電路用它的響應信號來(lái)指示它的處理任務(wù)何時(shí)完成。一種部分握手方法混合了電平與脈沖信號，而其它的方法則只使用脈沖信號。

　　在第一種部分握手方法中，電路 A 以有效電平聲明其請求信號，電路 B 則以一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖作為響應。此時(shí)，電路 B 并不關(guān)心電路 A 何時(shí)中止它的請求信號。但為了使這種方法成立，電路 A 中止請求信號至少要有一個(gè)時(shí)鐘周期長(cháng)，否則，電路 B 就不能區別前一個(gè)請求和新的請求。在這種握手方式下，電路 B 為請求信號使用一個(gè)電平同步器，電路 A 為響應信號使用一個(gè)脈沖同步器。只有當電路 B 檢測到請求信號時(shí)才發(fā)出響應脈沖。這種情況可以使電路 A 通過(guò)控制其請求信號的時(shí)序，控制同步器接收到的脈沖間隔(圖 5)。同樣可以用經(jīng)驗估算法確定時(shí)序，即信號跨越一個(gè)時(shí)鐘域要花兩個(gè)時(shí)鐘周期并且在跨越時(shí)鐘域前被電路寄存。

　　圖5，在一種部分握手方法中，電路 A 發(fā)出它的請求信號，電路 B 則以一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖作為響應。

　　全部的序列為 A 時(shí)鐘域最多三個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多五個(gè)周期。這種部分握手方法比全握手方法在 A、B 兩個(gè)時(shí)鐘域分別少用了兩個(gè)和一個(gè)時(shí)鐘周期。如果采用第二種部分握手方法可以再減少一些時(shí)鐘周期，此時(shí)電路 A 用一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖發(fā)出它的請求，而電路 B 也用一個(gè)單時(shí)鐘寬度脈沖響應這個(gè)請求。這種情況下，兩個(gè)電路都需要保存狀態(tài)，以指示請求正待處理。

　　圖6，這種握手類(lèi)型使用的是脈沖同步器，但如果其中一個(gè)電路時(shí)鐘比另一個(gè)電路時(shí)鐘快兩倍，則可以用邊沿檢測同步器來(lái)代替。

　　這種握手類(lèi)型使用的是脈沖同步器，但如果其中一個(gè)電路時(shí)鐘比另一個(gè)電路時(shí)鐘快兩倍，則可以用邊沿檢測同步器來(lái)代替(圖 6)。完整的時(shí)序是：A 時(shí)鐘域最多兩個(gè)周期加上 B 時(shí)鐘域最多三個(gè)周期。所以這種部分握手技術(shù)與全握手方法相比，在 A 時(shí)鐘域少用三個(gè)時(shí)鐘周期，在 B 時(shí)鐘域也少用三個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)，也比第一種部分握手方法分別在 A、B 時(shí)鐘域快了一個(gè)和兩個(gè)周期(表 2)。這些握手協(xié)議針對的都是跨越時(shí)鐘域的單一信號。但當幾組信號要跨越時(shí)鐘域時(shí)，設計人員就需要使用更加復雜的信號傳送方法。

　　表 2

　　數據路徑設計

　　在進(jìn)行信號同步時(shí)有一個(gè)重要的規則，那就是不應當在設計中的多個(gè)地方對同一信號進(jìn)行同步，即單個(gè)信號扇出至多個(gè)同步器。因為同步要花一到兩個(gè)時(shí)鐘周期，設計者不能確切地預測到每個(gè)信號何時(shí)跨越一個(gè)時(shí)鐘域。此外，在新時(shí)鐘域中一組經(jīng)同步后的信號其時(shí)序是不定的，因為同步延遲可以是一到兩個(gè)時(shí)鐘周期，這與輸入信號到達同步器的時(shí)間有關(guān)。這種情況會(huì )在各個(gè)同步信號間形成一種“競爭狀況”。這種競爭狀況在需要跨越時(shí)鐘域傳輸的多組信號間也會(huì )發(fā)生，例如數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)等。因此，不能對組中的每個(gè)信號單獨使用同步器，也不能對數據或地址總線(xiàn)的每一位單獨使用同步器，因為在新的時(shí)鐘域中，要求每個(gè)信號同時(shí)有效。

　　一種解決總線(xiàn)同步問(wèn)題的方法是使用一個(gè)保持寄存器和握手信號。這種電路包括一個(gè)保持信號總線(xiàn)的寄存器，以及一個(gè)握手機制(圖 7)。握手信號指示新時(shí)鐘域的電路何時(shí)可以對總線(xiàn)采樣，以及源電路何時(shí)可以更換當前寄存器中保存的內容。

　　圖7，一種數據路徑同步器設計使用一個(gè)保持寄存器和握手信令。

　　在這種設計中，傳輸電路將數據(信號總線(xiàn))存儲在保持寄存器，同時(shí)發(fā)出請求信號。這兩個(gè)動(dòng)作可以同時(shí)發(fā)生，因為請求信號至少要花一個(gè)時(shí)鐘周期才能讓接收電路檢測到它(最小的握手-同步延遲)。當接收電路采樣到數據(信號總線(xiàn))時(shí)，它發(fā)出一個(gè)響應信號。這種設計使用了全握手方法，所以要花較長(cháng)時(shí)間才能完成整個(gè)傳輸。對接收電路而言，使用全握手信號的設計有較大的時(shí)間窗口用于對信號總線(xiàn)采樣，因而效率較低。如用部分握手方法代替全握手方法則可以加快傳輸速度。

　　用這種總線(xiàn)同步方式，你可以同步握手信號，但不能同步信號總線(xiàn)。信號總線(xiàn)來(lái)自于保持寄存器，它在接收電路采樣前一直保持穩定。注意，如果傳輸電路向接收電路提交數據太快以致來(lái)不及處理，則應用中的總線(xiàn)同步可能不起作用。

　　高級數據路徑設計

　　在許多情況下，數據在跨越時(shí)鐘域時(shí)需要“堆積”起來(lái)，因此使用單個(gè)保持寄存器無(wú)法完成工作。例如一種情況是某個(gè)傳輸電路猝發(fā)式發(fā)送數據，接收電路來(lái)不及采樣。另一種情況是接收電路采樣速度超出傳輸電路發(fā)送數據的速度，但采樣的數據寬度不夠。這些情況就要使用 FIFO 了。

　　基本上，設計者使用 FIFO 有兩個(gè)目的：速度匹配或數據寬度匹配。在速度匹配時(shí)，FIFO 較快的端口處理猝發(fā)的數據傳輸，而較慢的端口則維持恒定的數據流。但是，雖然訪(fǎng)問(wèn)方式和速度不同，但進(jìn)出 FIFO 的平均數據速率必須是相同的，否則 FIFO 就會(huì )出現上溢(overflow)或下溢(underflow)問(wèn)題。與單寄存器設計相同，FIFO 將數據保存在寄存器或存儲器中，同時(shí)同步狀態(tài)信號，判斷何時(shí)可以把數據寫(xiě)入 FIFO 或從 FIFO 中讀出。

　　在速度匹配應用中，每個(gè)端口(讀或寫(xiě))的時(shí)鐘不同。FIFO 中的寄存器使用寫(xiě)端口時(shí)鐘，就像保持寄存器使用電路時(shí)鐘來(lái)改變寄存器內容一樣。信號同步發(fā)生在指針邏輯中，而且比握手信號要復雜得多。