跨越鴻溝：同步世界中的異步信號

　　握手與 FIFO

　　在許多應(yīng)用中，跨時(shí)鐘域傳送的不只是簡單的信號，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線都會同時(shí)跨域傳輸。工程師們用一些其它的手段來處理這些情況，如握手協(xié)議和 FIFO 等。

　　當(dāng)幾個(gè)電路不能預(yù)知相互的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，握手方法能讓數(shù)字電路間實(shí)現(xiàn)有效的通信。例如，仲裁總線結(jié)構(gòu)可以讓一個(gè)以上的電路請求使用單個(gè)的總線，用仲裁方法來決定哪個(gè)電路可以獲得總線的訪問權(quán)，例如 PCI 或 AMBA(高級微控制器總線架構(gòu))。每個(gè)電路都發(fā)出一個(gè)請求信號，由仲裁邏輯決定誰是“贏家”。獲勝的電路會收到一個(gè)應(yīng)答，表示它可以訪問總線。該電路于是中斷請求，開始使用總線。

　　不同時(shí)鐘域電路使用的握手協(xié)議有兩種基本類型：全握手(Full-handshake)和部分握手(partial-handshake)。每種類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(yīng)(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(yīng)信號。當(dāng)電路 A 檢測到響應(yīng)信號有效后，中止自己的請求信號。最后，當(dāng)電路 B 檢測到請求無效后，它中止自己的響應(yīng)信號。除非電路 A 檢測到無效的響應(yīng)信號，否則它不會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(yīng)。

　　這種類型的握手使用了電平同步器。設(shè)計(jì)人員將這種技術(shù)用在如下情況：響應(yīng)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(yīng)信號無效?？梢杂媒?jīng)驗(yàn)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。全握手類型很強(qiáng)健，因?yàn)橥ㄟ^檢測請求與響應(yīng)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)過程要花費(fèi)很多時(shí)鐘周期。

　　另一種類型是部分握手，它可以縮短這些事件的過程。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(yīng)就中止各自的信號，并繼續(xù)執(zhí)行握手命令序列。部分握手類型比全握手類型在健壯性方面稍弱，因?yàn)槲帐中盘柌⒉恢甘靖髯噪娐返臓顟B(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，由于無需等待其它電路的響應(yīng)，完整的事件序列花費(fèi)時(shí)間較少。

　　當(dāng)使用部

　　分握手信號方式時(shí)，響應(yīng)的電路必須以正確的時(shí)序產(chǎn)生它的信號。如果響應(yīng)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(yīng)信號的時(shí)序就很重要。電路用它的響應(yīng)信號來指示它的處理任務(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(yīng)。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，否則，電路 B 就不能區(qū)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(yīng)信號使用一個(gè)脈沖同步器。只有當(dāng)電路 B 檢測到請求信號時(shí)才發(fā)出響應(yīng)脈沖。這種情況可以使電路 A 通過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(yàn)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(yīng)。

　　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(yīng)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代替。

　　這種握手類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(dāng)幾組信號要跨越時(shí)鐘域時(shí)，設(shè)計(jì)人員就需要使用更加復(fù)雜的信號傳送方法。

　　表 2

　　數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)

　　在進(jìn)行信號同步時(shí)有一個(gè)重要的規(guī)則，那就是不應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)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?yàn)橥揭ㄒ坏絻蓚€(gè)時(shí)鐘周期，設(shè)計(jì)者不能確切地預(yù)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?yàn)橥窖舆t可以是一到兩個(gè)時(shí)鐘周期，這與輸入信號到達(dá)同步器的時(shí)間有關(guān)。這種情況會在各個(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?shù)亩嘟M信號間也會發(fā)生，例如數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等。因此，不能對組中的每個(gè)信號單獨(dú)使用同步器，也不能對數(shù)據(jù)或地址總線的每一位單獨(dú)使用同步器，因?yàn)樵谛碌臅r(shí)鐘域中，要求每個(gè)信號同時(shí)有效。

　　一種解決總線同步問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)保持信號總線的寄存器，以及一個(gè)握手機(jī)制(圖 7)。握手信號指示新時(shí)鐘域的電路何時(shí)可以對總線采樣，以及源電路何時(shí)可以更換當(dāng)前寄存器中保存的內(nèi)容。

　　圖7，一種數(shù)據(jù)路徑同步器設(shè)計(jì)使用一個(gè)保持寄存器和握手信令。

　　在這種設(shè)計(jì)中，傳輸電路將數(shù)據(jù)(信號總線)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?yàn)檎埱笮盘栔辽僖ㄒ粋€(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(dāng)接收電路采樣到數(shù)據(jù)(信號總線)時(shí)，它發(fā)出一個(gè)響應(yīng)信號。這種設(shè)計(jì)使用了全握手方法，所以要花較長時(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(shè)計(jì)有較大的時(shí)間窗口用于對信號總線采樣，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。

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

　　高級數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)

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

　　基本上，設(shè)計(jì)者使用 FIFO 有兩個(gè)目的：速度匹配或數(shù)據(jù)寬度匹配。在速度匹配時(shí)，F(xiàn)IFO 較快的端口處理猝發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸，而較慢的端口則維持恒定的數(shù)據(jù)流。但是，雖然訪問方式和速度不同，但進(jìn)出 FIFO 的平均數(shù)據(jù)速率必須是相同的，否則 FIFO 就會出現(xiàn)上溢(overflow)或下溢(underflow)問題。與單寄存器設(shè)計(jì)相同，F(xiàn)IFO 將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫入 FIFO 或從 FIFO 中讀出。

　　在速度匹配應(yīng)用中，每個(gè)端口(讀或?qū)?的時(shí)鐘不同。FIFO 中的寄存器使用寫端口時(shí)鐘，就像保持寄存器使用電路時(shí)鐘來改變寄存器內(nèi)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(fù)雜得多。