[Verilog]跨时钟域数据传输解决方案

跨时钟域数据传输解决方案

       摘要：跨时钟域数据传输 (Clock Domain Crossing, CDC) 是 SoC 设计中常见且关键的问题，因为现代 SoC 通常包含多个时钟域，不同模块可能运行在不同频率或相位的时钟下。跨时钟域传输数据时，如果处理不当，可能会导致亚稳态 (Metastability)、数据丢失或一致性问题。以下详细说明跨时钟域数据传输的常见解决方案及其原理，并提供相应的验证方案。

1. 跨时钟域数据传输的解决方案

       跨时钟域数据传输的核心目标是确保数据在不同时钟域之间安全、可靠地传递，避免亚稳态和数据损坏。以下是几种常见解决方案及其详细说明：

1.1 双触发器同步 (Two-Flip-Flop Synchronizer)

• 原理：使用两个串联的触发器（Flip-Flop）在目标时钟域中对输入信号进行采样，降低亚稳态发生的概率。第一个触发器捕获数据，可能进入亚稳态，但第二个触发器在下一个时钟周期采样时，通常可以稳定下来。
• 适用场景：适用于单比特信号（如控制信号、标志位）的同步。
• 优点：
  • 简单易实现，硬件开销小。
  • 有效降低亚稳态风险。
• 缺点：
  • 仅适用于单比特信号，不适合多比特数据（可能导致数据不一致）。
  • 引入额外延迟（至少 2 个目标时钟周期）。
• 实现细节：
  • 两个触发器必须在目标时钟域中，使用目标时钟驱动。
  • 确保触发器的 MTBF (Mean Time Between Failures) 满足设计要求，通常通过增加触发器级数（3 级或更多）进一步降低亚稳态概率。
• 示例代码 (SystemVerilog)：

  module two_ff_sync (
    input src_clk,       // 源时钟域
    input dst_clk,       // 目标时钟域
    input rst_n,         // 复位信号
    input src_signal,    // 源信号
    output reg dst_signal // 同步后的目标信号
  );
    reg ff1, ff2;
    always @(posedge dst_clk or negedge rst_n) begin
      if (!rst_n) begin
        ff1 <= 0;
        ff2 <= 0;
        dst_signal <= 0;
      end else begin
        ff1 <= src_signal; // 第一个触发器捕获源信号
        ff2 <= ff1;        // 第二个触发器稳定信号
        dst_signal <= ff2; // 输出同步后的信号
      end
    end
  endmodule
  

1.2 握手协议 (Handshake Protocol)

• 原理：通过请求 (Request) 和应答 (Acknowledge) 信号在源时钟域和目标时钟域之间协调数据传输，确保数据在传输前已准备好，且接收方已确认接收。常见实现包括两线握手（Req-Ack）和四相握手。
• 适用场景：适用于多比特数据传输，如寄存器值或数据包。
• 优点