关于FPGA异步时钟采样--结绳法的点点滴滴

一.典型方法

典型方法即双锁存器法，第一个锁存器可能出现亚稳态，但是第二个锁存器出现亚稳态的几率已经降到非常小，双锁存器虽然不能完全根除亚稳态的出现(事实上所有电路都无法根除，只能尽可能降低亚稳态的出现)，但是基本能够在很大程度上减小这种几率。最后的一个D触发器和逻辑电路组成的是一个采沿（上升沿，修改一下就能采集下降沿）电路，即当第二个锁存器的输出中出现1个上升沿，那么最后的逻辑输出就会产生1个clock的高电平脉冲

二.结绳法

1.结绳法1:利用数据的边沿作时钟（例子中上升沿）。（可以将脉冲无限延长，直到可以采集到数据，然后复位，要考虑产生数据的频率）。

实例1

说明：这种结绳法的原理是，数据作为Din_clkA，即当数据有上升沿(0->1)时，寄存器1的输出将会稳定在高电平，此时等待clkB采样，当clkB完成采样后，寄存器4会输出高电平，若此时Din_clkA为高电平，那么即可完成复位，开始下一次采样等待。

这里需要注意的是当数据来临(即上升沿)时，clkB域需要等待3个clkB才会在寄存器4输出并完成输入端的复位，所以Din如果变化较快

即持续时间短于3个clkB，也就是clkA频率大于clkB的1/3，那么这时Din的变化将无法被采样到，因为clkB域需要3个clkB才能

完成采样，并且此时Din必须是低电平才能复位，并且复位后的0也要延迟3个clkB才能到达输出端.

因此说，在慢时钟采样快时钟的时候，结绳法适合采样数据较少(即脉冲间隔较大)的控制信号。即脉冲间隔Ta>3Tb;即等待3个clkB时钟后，完成复位，才允许下一个输入脉冲。

实例2

说明：与实例1的区别是，这种复位更迅速，不需要等到clkA为低电平，即可完成复位。复位后，经过3个clkB，寄存器2~4相继复位

2结绳法2：利用数据作为异步复位，置位信号。（适合将不足时钟宽度的脉冲扩展1周期）

实例1：输入高脉冲（clka域），输出高脉冲（clkb域）

说明：当clkB因为太慢，没有采到din_clkA时，din_clkA的高电平脉冲会异步置位，即寄存器1从clkA的上升沿开始到clkB的下一个上升沿之间输出为高，寄存器2采样到高电平，并持续1个clkB，高电平持续时间为1个clkB多一点；

当clkB足够快，其上升沿采到了din_clkA时，置位作用从clkA的上升沿开始，跨越了clkB的上升沿，那么输出高电平持续了2个clkB还多一点，因为寄存器1持续了1个周期多一点。

实例2：输入高脉冲（clka域），输出低脉冲（clkb域）

说明：同上

实例3：输入低脉冲（clka域），输出低脉冲（clkb域）

说明：同上

实例4：输入低脉冲（clka域），输出高脉冲（clkb域）

说明：同上

3结绳法3：输入作为数据输入，同样也是检测高有效后，输出一直为高，异步时钟域可以采集到数据后再复位。
因为没有将输入作为时钟，或者作为异步set，reset，所以这类方便比较常用。

参考代码：

//================================================================================
// Created by         : Ltd.com
// Filename           : sync_clk1_clk2.v
// Author             : Python_Wang
// Created On         : 2009-02-27 22:47
// Last Modified      : 2009-02-28 09:09
// Description        :
//
//
//================================================================================
module sync_clk1_clk2(
  clk1                       ,
  rst_n1                     ,
  clk2                       ,
  rst_n2                     ,
  data_clk1_i                ,
  data_clk2_o
);
input        clk1            ;
input        rst_n1          ;
input        clk2            ;
input        rst_n2          ;
input        data_clk1_i     ;
output       data_clk2_o     ;

reg          data_clk1_q1    ;
reg          data_clk1_q2    ;

reg          data_clk2_q1    ;
reg          data_clk2_q2    ;
reg          data_clk2_q3    ;
reg          data_clk2_q4    ;
reg          data_clk2_q5    ;

wire         data_clk1       ;

assign  data_clk1 = data_clk1_i | ( !data_clk2_q5 & data_clk1_q1) ;

always@(posedge clk1 or negedge rst_n1)
begin
  if(!rst_n1) begin
    data_clk1_q1  <= #1 'b0;
    data_clk1_q2  <= #1 'b0;
  end
  else begin
    data_clk1_q1  <= #1 data_clk1   ;
    data_clk1_q2  <= #1 data_clk1_q1;
  end
end

always@(posedge clk2 or negedge rst_n2)
begin
  if(!rst_n2) begin
    data_clk2_q1  <= #1 'b0;
    data_clk2_q2  <= #1 'b0;
    data_clk2_q3  <= #1 'b0;
  end
  else begin
    data_clk2_q1  <= #1 data_clk1_q1;
    data_clk2_q2  <= #1 data_clk2_q1;
    data_clk2_q3  <= #1 data_clk2_q2;
  end
end

always@(posedge clk1 or negedge rst_n1)
begin
  if(!rst_n1) begin
    data_clk2_q4  <= #1 'b0;
    data_clk2_q5  <= #1 'b0;
  end
  else begin
    data_clk2_q4  <= #1 data_clk2_q2;
    data_clk2_q5  <= #1 data_clk2_q4;
  end
end

assign data_clk2_o = data_clk2_q2 & ~data_clk2_q3 ;

endmodule

仿真：

4.结绳法3：利用握手协议：（可以将脉冲无限延长，直到可以采集到数据，然后复位，要考虑产生数据的频率）。

Pulse2Toggle                             Synchronization                    Toggle2Pluse

Toggle2Pluse                             Synchronization                      Pluse2Toggle

说明：        结绳模块(Pluse2Toggle): 负责延长待采样信号

同步模块(Synchronization)：负责双触发器锁存

解绳模块(Toggle2Pluse)：  负责将长信号转换成脉冲信号

参考代码：

//================================================================================
// Created by         : Ltd.com
// Filename           : handover.v
// Author             : Python_Wang
// Created On         : 2009-02-19 19:31
// Last Modified      : 2009-02-20 08:38
// Description        :
//
//
//================================================================================
module handover(
rst_n                        ,
ClkA                         ,
Req_ClkA                     ,
Ack_ClkA                     ,
ClkB                         ,
Dvld_ClkB
);
input        rst_n           ;
input        ClkA            ;
input        Req_ClkA        ;
input        ClkB            ;
output       Ack_ClkA        ;
output       Dvld_ClkB       ;
reg          Dvalid_ClkB     ;
reg          Q_Dvalid_ClkB   ;

reg          Dvalid_ClkA     ;
always@(posedge ClkA)
begin
  if(!rst_n) begin
    Dvalid_ClkA <= #1 1'b0;
  end
  else if(Req_ClkA) begin
    Dvalid_ClkA <= #1 ~Dvalid_ClkA ;
  end
end

reg          Q1_ClkB         ;
reg          Q2_ClkB         ;
reg          Q3_ClkB         ;
always@(posedge ClkB)
begin
  if(!rst_n) begin
    Q1_ClkB <= #1 'b0;
    Q2_ClkB <= #1 'b0;
    Q3_ClkB <= #1 'b0;
  end
  else begin
    Q1_ClkB <= #1 Dvalid_ClkA ;
    Q2_ClkB <= #1 Q1_ClkB     ;
    Q3_ClkB <= #1 Q2_ClkB     ;
  end
end

wire Req_ClkB = Q2_ClkB ^ Q3_ClkB ;

always@(posedge ClkB)
begin
  if(!rst_n) begin
    Dvalid_ClkB   <= #1 'b0;
    Q_Dvalid_ClkB <= #1 1'b0;
  end
  else if(Req_ClkB) begin
    Dvalid_ClkB   <= #1 ~Dvalid_ClkB ;
    Q_Dvalid_ClkB <= #1 Dvalid_ClkB  ;
  end
end

always@(posedge ClkB)
begin
  if(!rst_n) begin
    Q_Dvalid_ClkB <= #1 1'b0;
  end
  else begin
    Q_Dvalid_ClkB <= #1 Dvalid_ClkB  ;
  end
end

reg          Q1_ClkA         ;
reg          Q2_ClkA         ;
reg          Q3_ClkA         ;
always@(posedge ClkA)
begin
  if(!rst_n) begin
    Q1_ClkA <= #1 'b0 ;
    Q2_ClkA <= #1 'b0 ;
    Q3_ClkA <= #1 'b0 ;
  end
  else begin
    Q1_ClkA <= #1 Dvalid_ClkB ;
    Q2_ClkA <= #1 Q1_ClkA     ;
    Q3_ClkA <= #1 Q2_ClkA     ;
  end
end

assign  Ack_ClkA = Q2_ClkA ^ Q3_ClkA ;
assign  Dvld_ClkB = Dvalid_ClkB & ~Q_Dvalid_ClkB;

endmodule

仿真：

另外对于为了提高速度和准确度的握手操作中，可以将设置一定的握手模块（n>2(clk1+clk2)/Trd),流水操作

结绳就是将单脉冲延长，以方便采集到数据。

结绳的方法归结为2类：

1.利用脉冲的边沿做时钟；

2.利用脉冲的电平(部分场合要求最小脉冲宽度)做选择器或者异步复位，置位。

另外的关键点就是什么时候结绳结束(采集到了数据就要让对方回到初始状态)，

这里的操作也有2种方法：

1.利用采集到的脉冲做异步复位，置位。

2.利用采集到的脉冲再次结绳采集做握手响应信号。

处理的时候应该选择对应的方法。