基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號處理——專(zhuān)用握手信號

　　在邏輯設計領(lǐng)域，只涉及單個(gè)時(shí)鐘域的設計并不多。尤其對于一些復雜的應用，FPGA往往需要和多個(gè)時(shí)鐘域的信號進(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。對于接收時(shí)鐘域而言，來(lái)自發(fā)送時(shí)鐘域的信號data_a2b有可能在任何時(shí)刻變化。

　　圖1 跨時(shí)鐘域通信

　　對于上述的異步時(shí)鐘域通信，設計者需要做特殊的處理以確保數據可靠的傳輸。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。如果出現建立時(shí)間或者保持時(shí)間違規，接收域將會(huì )采樣到處于亞穩態(tài)數據，那么后果可想而知。

　　如何有效的進(jìn)行跨時(shí)鐘域的信號傳輸呢?最基本的思想是同步，在這個(gè)基礎上設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(guò)的脈沖信號檢測方法，這里為了和握手方式相區別，所以如此稱(chēng)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(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(zhuān)用控制信號進(jìn)行狀態(tài)指示。這個(gè)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(shí)鐘域數據傳輸，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(shí)現中，假設req、ack、data總線(xiàn)在初始化時(shí)都處于無(wú)效狀態(tài)，發(fā)送域先把數據放入總線(xiàn)，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信號后鎖存數據總線(xiàn)，然后回送一個(gè)有效的ack信號表示讀取完成應答。發(fā)送域在檢測到有效ack信號后撤銷(xiāo)當前的req信號，接收域在檢測到req撤銷(xiāo)后也相應撤銷(xiāo)ack信號，此時(shí)完成一次正常握手通信。此后，發(fā)送域可以繼續開(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據穩定可靠，有效的避免了亞穩態(tài)的出現，但控制信號握手檢測會(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試進(jìn)一步加深大家對基本握手協(xié)議的認識。

　　module handshack(

　　clk,rst_n,

　　req,datain,ack,dataout

　　);

　　input clk; //50MHz系統時(shí)鐘

　　input rst_n; //低電平復位信號

　　input req; //請求信號，高電平有效

　　input[7:0] datain; //輸入數據

　　output ack; //應答信號，高電平有效

　　output[7:0] dataout;//輸出數據，主要用于觀(guān)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 <= 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，確保數據被穩定鎖存

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

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

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

　　//數據鎖存

　　reg[7:0] dataoutr;

　　always @(posedge clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) dataoutr <= 8'h00;

　　else if(pos_req1) dataoutr <= datain; //檢測到req有效后鎖存輸入數據

　　assign dataout = dataoutr;

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

　　//產(chǎn)生應答信號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)送域請求信號(req)有效的若干個(gè)時(shí)鐘周期后，先是數據(datain)被有效鎖存了(dataout)，然后接收域的應答信號(ack)也處于有效狀態(tài)，此后發(fā)送域撤銷(xiāo)請求信號，接收域也跟著(zhù)撤銷(xiāo)了應答信號，由此完成一次通信。

　　圖4 握手通信仿真波形