脉冲同步器的基本功能是从某个时钟域取出一个单时钟宽度脉冲,然后在新的时钟域中建立另一个单时钟宽度的脉冲。脉冲同步器也有一个限制,即输入脉冲之间的最小间隔必须等于两个同步器时钟周期。如果输入脉冲相互过近,则新时钟域中的输出脉冲也紧密相邻,结果是输出脉冲宽度比一个时钟周期宽。当输入脉冲时钟周期大于两个同步器时钟周期时,这个问题更加严重。这种情况下,如果输入脉冲相邻太近,则同步器就不能检测到每个脉冲。
握手与 FIFO
在许多应用中,跨时钟域传送的不只是简单的信号,数据总线、地址总线和控制总线都会同时跨域传输。工程师们用一些其它的手段来处理这些情况,如握手协议和 FIFO 等。
当几个电路不能预知相互的响应时间时,握手方法能让数字电路间实现有效的通信。例如,仲裁总线结构可以让一个以上的电路请求使用单个的总线,用仲裁方法来决定哪个电路可以获得总线的访问权,例如 PCI 或 AMBA(高级微控制器总线架构)。每个电路都发出一个请求信号,由仲裁逻辑决定谁是“赢家”。获胜的电路会收到一个应答,表示它可以访问总线。该电路于是中断请求,开始使用总线。
不同时钟域电路使用的握手协议有两种基本类型:全握手(Full-handshake)和部分握手(partial-handshake)。每种类型的握手都要用同步器,每种都各有自己的优缺点。对全握手信号,双方电路在声明或中止各自的握手信号前都要等待对方的响应(图 4)。首先,电路 A 声明它的请求信号,然后,电路 B 检测到该请求信号有效后,声明它的响应信号。当电路 A 检测到响应信号有效后,中止自己的请求信号。最后,当电路 B 检测到请求无效后,它中止自己的响应信号。除非电路 A 检测到无效的响应信号,否则它不会再声明新的请求信号。
这种类型的握手使用了电平同步器。设计人员将这种技术用在如下情况:响应电路(电路 B)需要告知请求电路(电路 A)它可以处理请求。这种握手方法要求请求电路延迟它的下一个请求,直到它检测到响应信号无效。可以用经验估算法判断这个协议的时序:信号跨越一个时钟域要花两个时钟周期的时间,信号在跨越多个时钟域前被电路寄存。全部的时间序列是:A 时钟域中最多五个周期加上 B 时钟域最多六个周期。全握手类型很强健,因为通过检测请求与响应信号,每个电路都清楚地知道对方的状态。这种方式的不足之处是完成所有交互的整个过程要花费很多时钟周期。
另一种类型是部分握手,它可以缩短这些事件的过程。使用部分握手信号时,通信双方的电路都不等对方的响应就中止各自的信号,并继续执行握手命令序列。部分握手类型比全握手类型在健壮性方面稍弱,因为握手信号并不指示各自电路的状态,每一电路都必须保存状态信息(在全握手信号里这个信息被送出去)。但是,由于无需等待其它电路的响应,完整的事件序列花费时间较少。
当使用部分握手信号方式时,响应的电路必须以正确的时序产生它的信号。如果响应电路要求先处理完一个请求,然后才能处理下一个请求,则响应信号的时序就很重要。电路用它的响应信号来指示它的处理任务何时完成。一种部分握手方法混合了电平与脉冲信号,而其它的方法则只使用脉冲信号。
在第一种部分握手方法中,电路 A 以有效电平声明其请求信号,电路 B 则以一个单时钟宽度脉冲作为响应。此时,电路 B 并不关心电路 A 何时中止它的请求信号。但为了使这种方法成立,电路 A 中止请求信号至少要有一个时钟周期长,否则,电路 B 就不能区别前一个请求和新的请求。在这种握手方式下,电路 B 为请求信号使用一个电平同步器,电路 A 为响应信号使用一个脉冲同步器。只有当电路 B 检测到请求信号时才发出响应脉冲。这种情况可以使电路 A 通过控制其请求信号的时序,控制同步器接收到的脉冲间隔(图 5)。同样可以用经验估算法确定时序,即信号跨越一个时钟域要花两个时钟周期并且在跨越时钟域前被电路寄存。
全部的序列为 A 时钟域最多三个周期加上 B 时钟域最多五个周期。这种部分握手方法比全握手方法在 A、B 两个时钟域分别少用了两个和一个时钟周期。如果采用第二种部分握手方法可以再减少一些时钟周期,此时电路 A 用一个单时钟宽度脉冲发出它的请求,而电路 B 也用一个单时钟宽度脉冲响应这个请求。这种情况下,两个电路都需要保存状态,以指示请求正待处理。
这种握手类型使用的是脉冲同步器,但如果其中一个电路时钟比另一个电路时钟快两倍,则可以用边沿检测同步器来代替(图 6)。完整的时序是:A 时钟域最多两个周期加上 B 时钟域最多三个周期。所以这种部分握手技术与全握手方法相比,在 A 时钟域少用三个时钟周期,在 B 时钟域也少用三个时钟周期。同时,也比第一种部分握手方法分别在 A、B 时钟域快了一个和两个周期(表 2)。这些握手协议针对的都是跨越时钟域的单一信号。但当几组信号要跨越时钟域时,设计人员就需要使用更加复杂的信号传送方法。