[嵌入式]数字电路中的Single-Bit跨时钟域设计

同步时钟&异步时钟的定义

在数字芯片的设计当中，我们经常要处理基于不同时钟域的电路之间的信号传输。例如，在一块芯片当中，接口的时钟是固定的，而CPU Core的时钟可能会与接口的时钟不同。在百兆的速度下，Ethernet接口频率为25MHz，而Cortex-m3最高工作频率可以达到72MHz。为了将数字信号完整的从一个时钟域传输到另一个时钟域，我们就需要用到跨时钟域技术。

我们首先定义一下同步时钟和异步时钟的概念。

同步时钟指的不仅仅是时钟频率相同的两个或多个时钟域，而是指能够明确多个时钟间如下关系的时钟源：

1. 时钟频率；
2. 时钟高电平/低电平的持续时间；
3. 各个时钟的相位（各个时钟第一个上升沿的时间）；
4. 时钟的输入latency；
5. …

当我们能够明确多个时钟源间的以上关系的时候，EDA工具就可以自动补全优化不同时钟源之间的电路，不需要设计者主动设计特殊电路。

当我们不能够明确多个时钟源之间的关系，特别是时钟源之间的相位关系的时候，我们将其称为异步时钟。

Metastable（亚稳态）

Metastable翻译过来是亚稳态，它指的是触发器无法在规定的时间段内达到一个可以确定的状态（“1”或“0”）。当一个触发器进入亚稳态的时候，在一段时间内既无法预测该Cell的输出电平，也不能预测什么时候该Cell输出能稳定在一个确定的电平上。

Metastable的产生原因

以一个D Flip-Flop (DFF)为例，如下图所示，当D端的电平保持时间满足了setup/hold requirement，在clock上升沿处将抓取D端的电平状态经过延时送往Q端。在这时，Q端的输出电平可以稳定状态（“1”或“0”）。

当D端电平的setup time或者hold time不满足要求的时候，如下图所示，Q端输出的输出电平无法预测，输出电平何时稳定也无法预测，会导致CK->Q的延时时间更长。

Setup / Hold Requirement的真正原因

下图是DFF的其中一种电路结构，D指的是D端，Q指的是Q端，φ连接的是Clock端。真正的电路结构分析比较复杂，这里简化一下，认为信号从D端传递到Q端需要一定的时间，当时间不能满足的话，Q端不能正确的输出D端信号。

因为DFF的电路结构，D端的电平保持时间必须保证setup/hold time。在这里我们提出另外三个问题：

1. 第一个问题：在cell library中，一个DFF cell的setup requirement可以为0吗？

结论是可以的，只需要在Clock端加一个buffer，效果是将时钟信号延迟。这个时候，将如下图的整个电路package为一个大的cell。如此，这个大的DFF cell的setup requirement实际上是可以满足的。

2. 第二个问题：在cell library中，一个DFF cell的hold requirement可以为0吗？

结论也是可以的。同理，在D端加一个buffer，效果是将D端输入信号延迟，满足了hold requirement。

3. 第三个问题：在cell library中，一个DFF cell的setup/hold requirement可以同时为0吗？

结论是不可以的。上面两种方法本质是拉长setup/hold创建的时间窗口。如果如上所述，同时在clock端和D端加上delay buffer，效果与同时不加delay buffer是一样的。所以setup/hold requirement不可以同时为0。

Metastable造成的问题

就像上文所说的，Metastable最主要造成的问题有两个：

1. DFF的输出端不稳定，可能是“1”也有可能是“0”；
2. 比cell library里面的CK->Q延迟时间更长；

那么这里我们又出现了一个问题，Metastable所造成的CK->Q延迟时间最长可以达到多长的时间。根据经验，在小于0.13μm的制程工艺中，metastable time最长可以达到大概1ns时间。

面对异步时钟域之间的信号传输问题，为了避免出现metastable，我们采用了特殊的跨时钟域同步技术处理。

跨时钟域同步设计

跨时钟域处理目标

在跨时钟域同步设计中，我们需要达到的主要目标就是 100% 确保数据（事件）在跨时钟域当中的完整性。数据（事件）的完整性包括了：

1. 数据（事件）的值不能错；
2. 数据（事件）的顺序不能错；
3. 数据（事件）的个数不能错；
4. 在跨时钟域同步设计中，不能出现metastable现象。

Single-bit的Clock Domin Crossing (CDC) 电路

这里我们提出一种最简单的跨时钟域电路设计，单比特的跨时钟域电路设计，Single-bit的Clock Domin Crossing电路设计，如下图所示。

我们可以看到，图中输入信号din经过第一个DFF输出了d_async信号。d_async信号从一个时钟域 (clk0) 传递到另一个时钟域 (clk1)，通过两级DFF，最后输出一个稳定的d_sync1信号。我们发现，当d_async信号第一次被clk1上升沿捕捉到的时候，恰好处在上升沿，它不能满足DFF的setup requirement，产生了metastable亚稳态。所以，这里我们将d_async信号做了一个delay，使得clk1可以在d_async信号满足setup/hold requirement的情况下捕捉输入信号。为了防止极端情况出现，即第一级DFF输出d_sync0信号也不能满足setup/hold requirement，导致metastable的传播，我们设置了第二级DFF，将d_sync0延迟，被clk1捕捉，输出d_sync1信号。第二级DFF基本可以保证metastable被消除。

上图展示了Single-bit CDC电路的两种情况。case0指的是当metastable出现的时候，d_sync0捕捉到的信号与输入信号状态一致，case1则是反之。所以在CDC电路设计中，打两拍后的信号可能会晚一个cycle出现，需要注意这种可能。

这种通过设置两级DFF（在工作中也俗称为打两拍）的电路设计不是所有条件下都可以达到消除metastable的目的，需要满足一些特定的条件。

1. 输入信号 (din)保持时间 必须足够长，保证另一个时钟域的DFF可以捕捉到这个信号。输入信号的保持时间应该满足以下条件：另一个时钟域 (clk1) 一个时钟周期 + 第一级DFF的setup required time + 第一级DFF的hold required time。

2. 我们在课堂上，老师会教授我们打两拍的方法可以在很大程度上消除metastable现象，但不能百分之一百的保证metastable不出现。面对metastable问题，我们在实际生产当中，不可能在设计的时候就设计可能出现问题的电路。我们在Metastable造成的问题一节中提到过，metastable time最长为1ns，指的是大概在1ns之后Q端一定会输出一个确定的电平。举个例子，当我们设计的clk1时钟周期为2ns，时钟频率为1000MHz，且DFF cell的setup/hold requirement小于1ns，那么我们第二级的DFF输入端信号一定会满足setup/hold requirement，也就是说完全消除了metastable现象。

Single-bit CDC电路设计的注意事项

在实际生产中，这种电路设计不可能独立存在，有可能会和一些组合逻辑电路连接。那么就会遇到以下三种情况：

1. 在不同时钟域传输中间加设组合逻辑电路。如下图所示。
   
   这种电路设计是不正确的。因为在组合逻辑电路中，不同的输入信号从输入到输出所经历的时间可能是不一样的，所以d_async信号在输出的过程中会出现unwanted glitch。当这些unwanted glitch被clk1抓取到的时候，就会输出不正确的电平状态，导致最后输出的数据（事件）不能保证完整性。

2. 在两级DFF中间加设组合逻辑电路。如下图所示。
   
   这种电路设计也是不正确的。因为在cell library当中，EDA工具的STA会对d_sync0的输出有一个预测，如下图所示。但当第一级DFF输出Q端信号与其他寄存器输出信号生成组合逻辑电路输出的话，真实的d_sync0可能会与预测的信号相比有一个delay延迟，导致了setup/hold requirement不能被满足，造成了d_sync1信号出现metastable现象。
   

3. 在两级DFF输出稳定电平之后加设组合逻辑电路
   
   这种电路设计是正确的，不影响消除metastable现象。

跨时钟域电路的仿真验证

每当我们设计完一个电路之后，我们都想将其进行仿真验证，在设计阶段就防止出现bug。但CDC通过RTL仿真是不能验证其正确性的，因为在RTL仿真当中，tool不会检查reg寄存器的setup/hold requirement，所以一定不会出现metastable现象。那么我们可以通过带delay的gate level后仿验证CDC电路的正确性吗？这种验证方法也是很难完整的验证CDC电路的。因为，第一，信号的翻转率可能不够。在同步电路的设计中，我们会将信号翻转，从“0”到“1”，从“1”到“0”，用于验证function的正确性。但在异步跨时钟域的电路中，我们不仅要验证function的正确，我们还要考虑在任意timing的条件下，这个CDC电路是否都正确完成指定的目标；第二，仿真时间不够长，没有把clk间的关系全部覆盖。跨时钟域电路的不同时钟源之间的关系是复杂的，比如时钟的频率、时钟的相位关系、时钟输入的latency等等。如果仿真时间不够长的话，clk间的关系没有覆盖完全，设计出来的电路也是有风险的；第三，在gate level后仿验证中，我们一般默认CDC电路会出现metastable现象，所以在第一级DFF的D pin上，我们不会进行timing check，即不会检查它的setup/hold requirement。如果DFF在cell library中的CK->Q延迟比较大，显示出来的最后Q pin输出了一个稳定的电平，我们也不能保证这个的电平是没有产生metastable现象的。

那么我们应该怎样保证CDC电路的正确性呢？第一，我们可以通过设计的电路结构保证，即grant by design；第二，通过工具检查CDC电路结构是否正确，比如：spyglass。这些工具会检查电路是否为同步电路，电路结构是否正确，是否在错误的位置放置了组合逻辑电路或时序逻辑电路。

跨时钟域电路的时序约束

在STA中，我们需要约束CDC电路的时序，保证综合过后的电路工作正常。首先在Timing约束中，我们可以不对第一级DFF D pin进行timing check，如上图在clk0到第一级DFF中的D pin线路中。因为我们设计CDC电路就是考虑到会出现Metastable现象并解决metastable现象，所以取消D pin的timing check。使用下面这行命令进行取消：

set_false_path -from clk0 -to clk1

对于一些高速电路（>=500MHz）设计，我们需要更加仔细的进行时序约束。

因为在真实电路中，会出现metastable现象，cell library中的第一级DFF CK->Q延迟时间会小于真实的CK->Q延迟时间。所以如上图所示，我们需要手动设计第一级DFF的Q pin到第二级DFF的D pin之间的最大延迟，set_maximal_delay。使用下面这行命令进行设置：

set_maximal_delay -from d_sync0 -to d_sync1 $dly_val

通常来说，$dly_val可以设置成clk1的0.4到0.5个时钟周期。