跨时钟域处理(一):两级DFF同步

在进行IC/FPGA设计的时候，如果使用了多个频率不同的时钟信号，就有可能产生亚稳态的问题，即某些跨时钟域传输的信号，可能会因为建立时间或保持时间不满足，而出现寄存器采样后数据状态不稳定或未知的情况。如下图所示，在CLK上升沿到来时，D恰好也发生变换，因而D不满足 T s e t u p T_{setup} Tsetup​或者 T h o l d u p T_{holdup} Tholdup​,所以寄存器的输出就会出现亚稳态的情况。 解决这个问题的一个常见方法就是打两拍,当然该方法主要针对的是单bit信号的跨时钟域传输问题。 如下图所示，我们可以看到，虽然寄存器在采样D1信号时发生了亚稳态，输出Q1处于一个不确定的状态，但是可以肯定的是，这个不稳定的状态不会一直持续下去，它最终会恢复到一个稳定的状态，有可能是0，也有可能是1，而在绝大多数的情况下，这个从不稳定到稳定的时间一般是小于时钟周期的，因此，如果我们在下一个时钟周期再对Q1进行采样，就能得到的一个稳定的、确定的值Q2(当然也不绝对，但是从概率上来说出现亚稳态的几率已经很小了)，从而在某种程度上来说，消除了亚稳态现象。 但是，也有例外的情况，如下图所示，Q1信号在下一个时钟上升沿到来之前，仍然处于亚稳态，因此Q2采样得到的也是一个不确定的值，针对这种情况，处理的方法是再打一拍，这是Q3仍然处于亚稳态的概率已经非常低了，几乎可以视作不可能发生。 当然，为了出现亚稳态的几率更小，我们还可以打更多拍，但在实际的工程应用中，打两拍已经满足大多数场景了。