什么是同步器？同步器传输数据的情景分析

什么是同步器

如图1所示威廉希尔官方网站 结构就叫同步器。左边为时钟域clk1，右边两个FF为时钟域clk2，蓝色的为CDC（clock domain cross）路径。这种威廉希尔官方网站 结构常用于两个不同的时钟域数据传输。其实前面讲的异步复位同步释放本质上也是同步器，只是前面的复位信号是复位端口产生的，不是某个寄存器打拍过来的，异步复位信号也可以视作一个不同时钟域的信号。由此你也可以知道同步器的作用之一就是消除亚稳态。

图1. 同步器跨时钟域图

用更直观的代码告诉大家，就是如下verilog代码：

reg [ 1:0] d1;

reg [ 1:0] ql;

reg [ 1:0] q2;

always@(posedge clk1)

begin

if(rst == 1'b1) d1 <= 2'h0;

else d1 <= din;

end

always@(posedge clk2)

begin

if(rst == 1'b1) ql <= 2'h0;

else q1 <= d1

end

always@(posedge clk2)

begin

if(rst == 1'b1) q2 <= 2'h0;

else q2 <= q1;

end

亚稳态及其传播

重点！

通过两级寄存器，即使产生亚稳态也在两个寄存器之间，降低传递到后级的概率，从而减轻亚稳态对后级影响。

理论上，亚稳态产生后持续时长是随机的，意味着永远持续下去也是可能的，然而由于实际威廉希尔官方网站 中存在的噪声和能量变化等一定会让亚稳态很快产生不平衡，迅速向0或者1靠拢。举个例子，就像笔尖上放一个圆球，理论上可以找一个位置永远平衡，然而实际上由于一点点的震动都会导致圆球迅速掉下去。如图2所示，在时钟发射沿到来后，亚稳态产生后持续时间为Tmet，在捕获沿到来时，dout的亚稳态已经消除，这样亚稳态就不会往后级传播，也就是说亚稳态在一个时钟周期内稳定就可以防止往下一级传播。实际中亚稳态的稳定都很快。而同步器打2拍就是为了在时钟频率很高的时候，捕获沿采到亚稳态向下一级传播的时候，还有一级寄存器隔离，然亚稳态在一个时钟周期内稳定下来。

假设，亚稳态在一个时钟周期内稳定不下来的概率为P，0

图2. 亚稳态产生过程

同步器同步n bit数据

当n=1时，参见上面的亚稳态传播，1bit数据产生亚稳态以后就算错了也是变成0或者1第二拍也会正确，所以同步1bit数据可以采后面几拍的数据，这样就能保证采集过来的数据是正确的，后面会试验给大家看。当然，要实现这点首先是快时钟必须是慢时钟的好几倍才行，至少2倍。

多bit数据传输和1bit数据唯一的区别就是多路对齐，保证每一路数据延迟一致 ，这样就和传输1bit数据一样了。下面给大家推荐一个约束set_bus_skew，可以约束一条总线上每根线的延迟相差不大。

命令用法——set_bus_skew [-from 寄存器名] [-to 寄存器名] xx ns。比如在图3中约束src_gray_ff_reg到dest_graysync_ff_reg之间的两根线延迟保持一致，完整命令如下，保证两根线延迟都在2.5ns，一个快时钟域周期：

set_bus_skew -from [get_cells src_gray_ff_reg[ ]] -to [get_cells {dest_graysync_ff_reg[0][ ]}] 2.500

图3. 寄存器图

同步器传输数据的情景分析

情景1

同步器只能正确处理同源的两个时钟域之间的信号，如果不同源，很可能出现发射沿打出的数据还没稳定就被捕获沿采集到，这样数据就会出错。

情景2

两个时钟域的频率不能太接近，且快时钟最好是慢时钟的整数倍，这样保证边沿不会出现捕获沿不在数据不稳定的时候出现，不然会采错数据。

下图是100M和96.34M时钟用同步器采集的结果，err和err1为高电平都是代表数据有错的时候。可以发现数据出错频繁，而且间隔不均等，本质上就是因为两个时钟的相位关系不是像整数倍一样规律，很可能出现捕获沿采集不稳定数据。其实小数倍的时候，小数位数越多越容易出现这种问题。

图4. 时钟频率不匹配导致错误

情景3

快时钟最好是慢时钟的整数倍的时候，不加约束也可以有方法比较稳定的正确抓取数据 。

下图是50M时钟到200M时钟跨时钟域同步的结果，没有加约束，大家可以看到数据在从0x4ef到0x4f0过度的时候第一拍出错了，出现了1个0x4f1，而后面的三拍数据是对的，看后面出错的数据也是这样，也就是说，每采集到的4个数里面，用出现次数多的数覆盖次数少的数就可以了，因为原本是4倍关系，所以理论上连续的4个数是要一致的。

如下图在两个位置的总线都加了set_bus_skew约束5ns后，采集的数据一直没有出错，也根本不用覆盖的方法去剔除错误数据了。

正确传输条件总结：

1. 只能慢时钟到快时钟
2. 两时钟域必须同源
3. 两时钟最好是整数倍关系，否则正确与否只能随缘
4. （可选）满足以上3点情况下，添加set_bus_skew可以保证每次采样都正确