多比特信号跨时钟域握手方案

• 什么是握手信号

• 多比特跨时钟域握手接口
• 多比特跨时钟域握手设计方案一
• 接口时序
• 电路设计
• 多比特跨时钟域握手设计方案二
• 接口时序
• 电路设计

1. 设备1将 valid 信号置1，告诉设备2，数据准备就绪了，请查收
2. 设备2此刻正处于忙碌状态无法接收数据，设备2将 ready 信号保持为0
3. 设备2空闲了，将 ready 信号置1接收设备1的数据
4. 设备1看到设备2的 ready 为1，它知道设备2已经接收好数据了，将 valid 置0同时撤销数据，准备下一次发送。

可以看到因为有握手控制，可以确保数据的正确传输，不会丢失。

跨时钟域的握手设计就是利用握手控制这种优势，从而避免因为跨时钟域引起的数据传输错误。

图1是多比特跨时钟域的接口设计，可以看到握手模块其实就是一个桥梁，用来连接 clock1 时钟域和 clock2 时钟域。接口上看它有：

• 两组时钟复位信号输入，（clk1,rst1） 和 （clk2,rst2）
• 两组握手信号，（valid1,ready1）和（valid2,ready2）
• 两路数据信号，（data1输入）和（data2输出）

方案一和本文在第一部分讲的设备1和设备2通信的顺序是一样的。

接口时序

按照图2的接口时序，我们可以先描述一下握手模块的功能和步骤：

1. （跨时钟域）同步 clock1 时钟域的 valid1 信号到 clock2 时钟域，称之为 valid1_2
2. （clock2时钟域）利用同步后的 valid1_2 产生一个脉冲信号 pulse_1
3. （clock2时钟域）当看到 pulse1 为高电平时需要采样数据 data1 到寄存器 data1_2，同时拉高 valid2 信号，然后将寄存器 data1_2 存放的数据输出到 data2
4. （clock2时钟域）当看到 ready2 为高同时 valid2 也为高时，拉低 valid2，同时产生一个脉冲信号，称之为 pulse2
5. （跨时钟域）将脉冲信号 pulse2 同步到 clock1时钟域，同步后的脉冲信号称之为 pulse2_1
6. （clock1时钟域）将脉冲信号pulse2_1输出到 ready1

描述完上述步骤之后，对应的电路/代码设计其实也一目了然了：

logic [1:0] valid1_2_ms_q;logic       valid1_2_q;always_ff @(posedge clk2 or posedge rst2)  if (rst2) begin    valid1_2_ms_q <= 2'b00;    valid1_2_q    <= 1'b0;  end else begin    valid1_2_ms_q <= {valid1_2_ms_q[0], valid1};    valid1_2_q    <= valid1_2_ms_q[1];  end

步骤2. 组合逻辑

logic pulse_1;always_comb begin  pulse1 = !valid1_2_q & valid1_2_ms_q[1]; end

// 输出数据寄存器logic [N-1:0] data1_2_q;  // assume input data is N bitsalways_ff @(posedge clk2 or posedge rst2)  if (rst1) begin    data1_2_q <= '0;  end else begin    if (pulse_1) begin       data1_2  <= data1;    end  endassign data2  = data1_2_q;// 输出 valid 标记寄存器logic valid2_d, valid2_q;always_comb begin  valid2_d = valid2_q;  if (pulse_1) begin    valid2_d = 1'b1;  end else if (valid2_q & ready2) begin    valid2_d = 1'b0;  endendalways_ff @(posedge clk2 or posedge rst2)  if (rst1) begin    valid2_q <= '0;  end else begin    valid2_q <= valid2_d;  endassign valid2  = valid2_q;// 脉冲信号assign pulse2 = valid2 & ready2;

值得注意的是，这里数据data1是在 clock1 时钟域，而寄存器data1_2是在 clock2 时钟域，为什么可以直接采样而不会有问题呢。

从图2可以看到data1在valid1拉高之后是保持不变的，跨时钟域采样一个不变的数据是不会有问题的。

步骤5. 单比特脉冲跨时钟域同步器。

之前的文章FPGA设计之跨时钟域（二）已经介绍过单比特脉冲同步器的设计。

步骤6. 连线

assign ready1 = pulse2_1;

区别主要是在valid1，在图1的时序图中valid1是一个电平信号，而这里valid1变成了脉冲信号。

电路设计

logic [N-1:0] data1_local_q;always_ff @(posedge clk1 or posedge rst1)  if(rst1) begin    data1_local_q <= '0;  end else begin    if(valid1) begin      data1_local_q <= data1;    end  end

在本篇文章中我们总结了多比特跨时钟域的握手原理和设计，包括两种不同方案的接口时序和电路设计。

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