多时钟域数据传递的Spartan-II FPGA实现

1 时钟域转换中亚稳态的产生

触发器是数字电路设计中的一个重要元件，而触发器工作过程中存在数据建立与保持时间的约束，如果这种约束得不到满足，触发器就会进入某个不确定状态——亚稳态。亚稳态的存在可能导致连锁反应，以致引起整个系统功能混乱。在单时钟域电路设计中由于不存在时钟之间的延迟和错位，所以建立条件和保持条件的时间约束容易满足。而在多时钟域里由于各个模块的非同步性，则必须考虑亚稳态的发生，如图1所示。
 

2 多时钟域数据传递方案

多时钟域传递的信号有两种，其一为控制信号，其二为数据流信号。针对这两种不同的信号，分别采取不同方案遏制系统堕入亚稳态。对控制信号采用同步器装置，即在2个不同的时钟域之间插入同步器；而对于不同独立时钟域之间的数据流传递，为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，采用FIFO存储器作为其转换接口，在输入端口使用写时钟写数据，在输出端口使用读时钟读数据，这样就完成了异步时钟域之间的数据交换。

芯片的总体逻辑框图如图2所示，图中输入输出信号定义如表1所示。

从逻辑结构上将芯片划分为3块：写时钟域I／OBUFFER、读时钟域I／O BUFFER及FIFO存储器。I／O BUFFER的主要作用是对外部信号进行预处理，消除外部信号的毛刺，保证信号可靠并使外部的信号与时钟信号同步，消除不稳定的因素。根据信号的数目，BUFFER由相应数目的多个D触发器构成。
 

FIFO存储器结构框图如图3所示，他由双端口存储器(Dual Port RAM)、写控制单元(Writc Control)和读控制单元(Read Control)构成。其中DUAL PORT RAM是由ISE6.0的一个编辑软件CORE GENERATER自动生成，使用者只需设定RAM的端口数、内存大小和渎写控制便可以生成一个适合程序的子模块。由于读写时钟属于不同的时钟域，满帧信号Frame从写控制单元向读控制单元传递时必须采取同步器(Synchronizer)同步。
 

2.1 写控制单元设计

写控制单元主要的功能是根据写数据有效信号wdataen判断输入数据是否正确，在检测到写入数据帧的开始标志位wsof后开始计数控制写指针waddr的移动，将正确的数据写入DUAL PORT RAM中，并在一帧数据写满后向读控制单元发出写数据满帧信号wframe。为防止亚稳态的出现，设计中采取了两个措施：一是采用锁存器将帧头信号wsof拉长，确保其被稳定的采集；二是采用Gray编码计数器替代普通二进制编码计数器来控制写指针waddr的移动，因为Gray码相邻两个编码之间有且只有1位发生变化从而抑制了竞争冒险的出现。

2.2 同步器设计

写控制单元发出的写数据满帧信号wframe属于控制信号，他从写时域进入读时域必须采用同步器实现信号同步，将写时域的满帧信号wframe变换为读时域的满帧信号rframe。由于信号是从高时钟域(66 MHz)流向低时钟域(40 MHz)，因此采用如图4所示的同步器。
 

同步器时序图如图5所示，可见在写时域的满帧信号wframe经过3个clka周期延后跨越到读时钟域。
 

2.3 读控制单元设计

数据从写时域传递到读时域，时钟发生了变化，而且读控制单元的行为受到写控制单元及Dual Port RAM中数据的存储情况的双重制约，因此他的设计是整个芯片设计成功的关键。

由于当Dual Port RAM中写入一帧完整的正确数据后才能输出，所以读控制首先必须判断Dual Port RAM一帧是否写满。榆测到满帧信号rframe后，在等待输出数据帧头信号rfp到来后控制读指针waddr移动读出数据，并置位rvalid表征输出数据的可靠性。

部分程序没计如下：

3 多时钟域数据传递的FPGA实现

设计方案完成后选用Xilinx Spartan-II FPGA实现电路，并在Xilinx ISE6.0集成环境下用Modelsim5.7进行了电路仿真。

图6为写使能信号dataen恒为有效值“1”的仿真结果截图。
 

可见，在写使能信号dataen恒为有效值“1”的情况下，在写时钟clka控制下当写数据帧头信号sof有效时，写控制器开始写入数据，接收到连续8个数据后，写控制器发出一个帧满信号wframe。wframe信号经过异步转换后转换成clkb时钟域的信号。在读控制器的控制下，当clkb时钟处于上升沿，并且检测到读出数据帧头fp时，开始从outdata向外发送数据，并将valid置为有效。

图7为当写使能信号dataen变化时的仿真结果截图。

可见，将dataen置低后，系统不再接受写入数据，所以也不再输出数据，valid被置为低电平，输出数据无效。写控制的使能端控制达到要求。
 

4 结 语

针对异步并行通信接口芯片设计中涉及的多时钟域的数据传递问题，本文采用FIFO存储器来完成不同时钟域之间数据流传递、同步器来完成控制信号传递的方案。仿真验证结果表明，数据传递准确、稳定、可靠，没有出现竞争冒险和亚稳态，完全达到了设计要求。