【導讀】通常，傳統的雙觸發(fā)器同步器用于同步單比特電平信號。如圖1和圖2所示，觸發(fā)器A和B1工作在異步時(shí)鐘域。CLK_B 時(shí)鐘域中的觸發(fā)器 B1 對輸入 B1-d 進(jìn)行采樣時(shí)，輸出 B1-q 有可能進(jìn)入亞穩態(tài)。但在 CLK_B 時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期期間，輸出 B1-q 可能穩定到某個(gè)穩定值。
常規二觸發(fā)器同步器
通常，傳統的雙觸發(fā)器同步器用于同步單比特電平信號。如圖1和圖2所示，觸發(fā)器A和B1工作在異步時(shí)鐘域。CLK_B 時(shí)鐘域中的觸發(fā)器 B1 對輸入 B1-d 進(jìn)行采樣時(shí)，輸出 B1-q 有可能進(jìn)入亞穩態(tài)。但在 CLK_B 時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期期間，輸出 B1-q 可能穩定到某個(gè)穩定值。如果 B1 在一個(gè)時(shí)鐘周期內沒(méi)有穩定到穩定值，則觸發(fā)器 B2 的輸出可以進(jìn)入亞穩態(tài)，但是 B2 在一個(gè)完整的目標時(shí)鐘周期內處于亞穩態(tài)的概率非常接近于零。
如果頻率太高，可以使用更多數量的觸發(fā)器級，因為這將有助于降低同步器輸出保持在亞穩態(tài)的可能性。
圖 2傳統 2FF 同步器的時(shí)序
切換同步器用于將源時(shí)鐘域中生成的脈沖同步到目標時(shí)鐘域。不能使用 2 FF 同步器直接同步脈沖。使用 2 FF 同步器從快速時(shí)鐘域同步到慢速時(shí)鐘域時(shí)，可能會(huì )跳過(guò)脈沖，這會(huì )導致脈沖檢測丟失，因此依賴(lài)于它的后續電路可能無(wú)法正常運行。圖 3和圖 4中的圖表顯示了切換同步器的實(shí)現和時(shí)序圖。
圖 3切換同步器
圖 4切換同步器的時(shí)序
在基于握手的脈沖同步器中，如圖 5和圖 6所示，通過(guò)提供確認來(lái)保證生成到源時(shí)鐘域的脈沖同步到目標時(shí)鐘域。脈沖同步器有一個(gè)限制，即無(wú)法處理背對背（一個(gè)時(shí)鐘間隙）脈沖。為了確保源時(shí)鐘域中下一個(gè)生成的脈沖在目標時(shí)鐘域中得到明確傳輸和同步，基于握手的脈沖同步器通過(guò)對 A1 和 A3 觸發(fā)器輸出進(jìn)行“或”運算來(lái)生成“忙”信號。因此，產(chǎn)生脈沖的邏輯將不會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)脈沖，直到 busy 信號被斷言。
基于握手的脈沖同步器的定時(shí)。
當多位信號與 2 觸發(fā)器同步器同步時(shí)，每個(gè)位都使用單獨的 2-FF 同步器進(jìn)行同步。亞穩態(tài)會(huì )導致觸發(fā)器穩定為真值或假值。所以每個(gè)同步器的輸出可能不會(huì )在同一時(shí)鐘穩定到正確的值。這會(huì )導致數據不一致。為了使用 2 觸發(fā)器同步器方法同步多位信號，必須保證在特定時(shí)鐘周期內僅發(fā)生單個(gè)位變化。這可以通過(guò)格雷編碼來(lái)實(shí)現。因此，例如，在異步FIFO設計中，當我們使用2-FF同步器在寫(xiě)時(shí)鐘域中同步轉換為灰度值后的讀指針值時(shí)，存在亞穩態(tài)的可能性。由于格雷編碼只有一位變化，所以即使時(shí)鐘交叉時(shí)存在亞穩態(tài)，灰色計數器值將是以前的值。例如，讀指針（灰度計數器）值從 0110 變?yōu)?0111 并與寫(xiě)時(shí)鐘同步，然后由于亞穩態(tài)（如果發(fā)生）可能性是讀指針仍然保持 0110?，F在，假設較早的 FIFO 滿(mǎn)標志在讀灰度時(shí)為高計數器值為 0110，然后 FIFO Full 將在 1 個(gè)時(shí)鐘周期內保持高電平，但這不會(huì )導致問(wèn)題，因為在下一個(gè)時(shí)鐘周期中，讀指針值將變?yōu)?0111，并且 FIFO 滿(mǎn)標志將被置為無(wú)效。如果通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)器同步器將二進(jìn)制計數器從一個(gè)時(shí)鐘域取到另一個(gè)時(shí)鐘域而不是灰色計數器，則多位更改可能會(huì )導致亞穩態(tài)后不同位的意外恢復（例如，值從“1001”變?yōu)椤?010”）。圖 7和圖 8顯示了二進(jìn)制到灰色的轉換如何幫助解決這個(gè)問(wèn)題。
圖 7多比特信號的格雷編碼
圖8多比特信號格雷編碼時(shí)序
再循環(huán)多路復用同步
對于隔離數據和多個(gè)位可以同時(shí)傳輸的情況，使用圖 9和圖 10中所示的再循環(huán)多路復用同步技術(shù)。為了同步數據，當數據在源觸發(fā)器處可用時(shí)，在源時(shí)鐘域中生成控制脈沖。然后根據源域和目標域之間的時(shí)鐘比率，使用 2 個(gè)觸發(fā)器同步器或脈沖同步器（切換或握手）同步控制脈沖。同步控制脈沖用于在目標域中對總線(xiàn)上的數據進(jìn)行采樣。在目標時(shí)鐘域中對其進(jìn)行采樣之前，數據應該是穩定的。
再循環(huán)多路復用器同步器的定時(shí)。
在這種同步方案中，請求和確認機制用于保證將正確的數據采樣到目標時(shí)鐘域中，而不管源時(shí)鐘和目標時(shí)鐘之間的時(shí)鐘比如何。該技術(shù)主要用于同步不連續或不頻繁變化的矢量信號。如圖 12所示，數據應在總線(xiàn)上保持穩定，直到從目標端接收到同步確認信號 (A2-q) 并且 (A2-q) 變低。圖 11中的圖表顯示了此實(shí)現，圖 12顯示了握手同步器的時(shí)序。
圖 11握手同步器
圖 12握手同步器的時(shí)序
異步 FIFO 同步
FIFO 是在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間同步不斷變化的矢量數據的方式。異步 FIFO 同步器提供跨時(shí)鐘域傳輸矢量信號的解決方案，而不會(huì )有亞穩態(tài)和相干性問(wèn)題的風(fēng)險。
在異步 FIFO 設計中，FIFO 提供獨立于時(shí)鐘頻率的完全同步。如圖13所示，經(jīng)過(guò)二進(jìn)制轉灰度后，讀寫(xiě)指針?lè )謩e同步到寫(xiě)時(shí)鐘域和讀時(shí)鐘域。
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