14、时钟域桥接：捕鼠器中的小鼠同步技术解析

时钟域桥接：捕鼠器中的小鼠同步技术解析

1. 引言

在当今的电子系统设计中，全局时钟的 VLSI 电路面临着两大挑战。一方面，片上系统设计的趋势使得芯片中包含多个具有不同周期时间的 IP 模块；另一方面，未来技术中高速低偏斜时钟信号的分配变得愈发困难。因此，未来的芯片将包含多个本地时钟子模块，它们通过专用的胶合逻辑进行通信，这种异构系统被称为全局异步、局部同步（GALS）系统。

GALS 系统可根据同步子模块的通信方式分为两类：
- 时钟同步系统 ：子模块具有可暂停的时钟，即可以停止的环形振荡器。通过同步时钟来实现安全通信。
- 数据同步系统 ：子模块具有自由运行的时钟，从一个时钟域传输到另一个时钟域的数据需要进行同步。简单的解决方案是双寄存器或双锁存器同步器，更复杂的同步方案则基于先进先出缓冲区。

数据同步系统需要处理亚稳态问题，并且在选择解决亚稳态的时间周期时，需要在安全性和低延迟之间进行权衡。时钟同步系统更安全，因为它们会等待亚稳态问题解决，但同步设计师往往更喜欢熟悉的数据同步系统。

2. 同步缓冲区的规格

我们的目标是设计一个能够在不同时钟域之间传输数据流的缓冲区。该缓冲区有一个写入侧（W）和一个读取侧（R），每侧都有一个独立时钟的接口（Wclk 和 Rclk），所有其他输入/输出信号在相应时钟信号的上升沿有效。

缓冲区的时钟协议是对称的会合协议，而不是握手协议。缓冲区和环境通过使专用信号变高来表明它们准备好执行传输操作。缓冲区信号称为 rdy（就绪），环境信号称为 enb（使能）。当就绪和使能信号在时钟上升沿都为