多时钟域数据传递的FPGA实现
cpu与fpga跨时钟域数据交换的实现问题
munitis#1楼主：cpu与fpga跨时钟域数据交换的实现问题[精华]ARM与fpga（cyclone）之间进行数据传输，这应该属于跨时钟域的范畴，CPU与fpga之间采用三总线的方式进行连接，而CPU连接fpga的数据线、地址线、控制线进入fpga内部就属于异步信号了，该如何考虑呢？我看过一些关于跨时钟域的文献，上面说对于数据交换，实现方法有握手和fifo两种，我想，双口RAM是不是也算一种？另外，我看跨时钟域数据交换，都涉及到两侧的时钟信号，而对于CPU的三总线，并没有输出什么时钟信号，时钟输出是不是必须的呢？问题比较多，不知道说明白没有，请指教一二，谢谢了！riple #2这个问题，基本上很难。
开个玩笑，原理上简单，实现起来有许多要注意的地方，但是不难。
一个提示：从你使用的ARM芯片数据手册的接口时序图入手。
FPGA中的处理方法是可以改的，而接口时序是一定要遵守的。
泛泛而谈很难，把你的芯片接口时序图贴上来吧，主要是寄存器读、写时序，如果用到DMA的话，应该还有DMA读写的时序图。
munitis #3上面是ARM读写外设的时序图，时钟是CPU的，和fpga的内部时钟是两个时钟域，既需要有ARM写入给fpga 内部的寄存器，又需要有ARM读出fpga内部的值，该如何解决跨时钟域的问题呢？munitis #4ARM与fpga的接口是标准的总线型接口，包括DATA，CS，ADDR，RD，WR，这些信号由CPU的时钟控制，对于FPGA来说是异步信号，在进入FPGA内部是不是需要先进行同步，我看过一些文献，这种总线型的跨时钟域，是不能用多个同步器进行同步的，采用的方法有握手信号和FIFO，是不是这样的呢？riple #5我们一步一步来，先实现基本功能，然后优化性能。
第一、我觉得处理这样的接口，采用异步方式比较好。
因为同步接口对FPGA外部电路和内部配置的要求都比较高。
异步接口只要给出充分的时间，外部电路不存在信号完整性问题就很好解决。
关于FPGA设计中多时钟域和异步信号处理有关的问题
有一个有趣的现象，众多数字设计特别是与FPGA设计相关的教科书都特别强调整个设计最好采用唯一的时钟域。
换句话说，只有一个独立的网络可以驱动一个设计中所有触发器的时钟端口。
虽然这样可以简化时序分析以及减少很多与多时钟域有关的问题，但是由于FPGA外各种系统限制，只使用一个时钟常常又不现实。
FPGA时常需要在两个不同时钟频率系统之间交换数据，在系统之间通过多I/O接口接收和发送数据，处理异步信号，以及为带门控时钟的低功耗ASIC进行原型验证。
本章讨论一下在FPGA设计中多时钟域和异步信号处理有关的问题和解决方案，并提供实践指导。
这里以及后面章节提到的时钟域，是指一组逻辑，这组逻辑中的所有同步单元（触发器、同步RAM块以及流水乘法器等）都使用同一个网络作为时钟。
假如设计中所有的触发器都使用一个全局网络，比如FPGA的主时钟输入，那么我们说这个设计只有一个时钟域。
假如设计有两个输入时钟，如图1所示，一个时钟给接口1使用，另一给接口2使用，那么我们说这个设计中有两个时钟域。
图1：双时钟域设计平时我们在设计中遇到的门控时钟、衍生时钟以及事件驱动的触发器都可归为时钟域类别。
如图2所示，通过一个简单门控时钟创建了一个新的时钟域。
我们知道，这类时钟控制在FPGA设计中并不被推崇（可以使用时钟使能替代时钟门控），然而它却非常有利于我们理解时钟域这一概念。
本章我们将着重详细讨论以下主题：•两个不同时钟域之间传输信号。
•亚稳态的产生以及对设计的可靠性的影响•通过相位控制避免亚稳态•在时钟域之间传输单个信号，将信号打两拍•使用FIFO在时钟域之间传输多位数据•使用分区同步器模块提高设计的组织架构•处理ASIC验证原型里的门控时钟•建立一个单时钟模块•自动门控移除图2：通过门控时钟创建的时钟域一、跨时钟域设计中包含多时钟域，首先要解决的是在不同时钟域之间传输信号的问题。
信号跨时钟域传输将会是一个大问题，原因如下：1、信号跨时钟域传输产生的故障总是不太容易复现。
fpga跨时钟域处理方法
fpga跨时钟域处理方法fpga 跨时钟域处理方法1.什么是FPGA跨时钟域处理？FPGA跨时钟域处理是指在FPGA中处理不同的时钟域的信号，把不同的时钟域的信号转换成成某种特定的格式或者特定算法，以便FPGA 能够处理这些不同的时钟域的信号。
2. FPGA跨时钟域处理的优势（1）更低的功耗，由于时钟频率较低，其功耗比信号时钟频率高的系统低得多。
（2）更高的可靠性，由于时钟频率较低，其硬件的可靠性比信号时钟频率更高。
（3）更快的切换和转换速度，在跨时钟域中，由于只需要处理少量的信号，因而切换和转换的速度会更快。
（4）更小的面积，由于少量的信号需要被转换，相应的FPAG占用的面积也会更少。
3. FPGA跨时钟域处理的实现（1）时间轴划分：第一步是将FPGA转换时钟域中需要处理的信号根据频率分类，并将其根据实际应用场景放置在不同的时间轴上，以便进行后续的处理。
（2）位转换和跨域转换：第二步是将这些处理过的信号转换为不同时钟频率域的信号，这种转换可以采用位级或字节级转换等，以便这些信号能够更好的处理。
（3）中转处理：第三步是将不同时钟频率域的信号做一个中转处理，将其转换成FPGA能够处理的信号，再对每个时钟域上的信号进行处理，完成跨时钟域处理。
4. FPGA跨时钟域处理的应用（1）通信领域：一些通信应用中会存在部分接收信号的处理只能在低频率的时钟域上完成，比如协议及协议解析。
采用FPGA跨时钟域处理，可以有效的提高系统的处理能力。
（2）信号处理领域：有不少信号处理应用一般要求高速处理，这就需要高频率的时钟域；而有些信号处理应用却完全不需要，而FPGA跨时钟域处理可以有效解决这个问题，同时又能提高系统的可靠性。
5.总结FPGA跨时钟域处理是将不同时钟域的信号转换为特定类型或特定算法，以便FPGA能够处理这些不同的时钟域的信号。
它具有更低的功耗、更高的可靠性、更快的切换和转换速度以及更小的面积等优势。
FPGA跨时钟域处理的具体步骤包括时间轴划分、位转换和跨域转换、中转处理等。
用LabVIEW FPGA模块实现不同时钟域的数据连续传输
用LabVIEW FPGA模块实现不同时钟域的数据连续传输作者：崔佩佩何强韩壮志尚朝轩来源：《现代电子技术》2011年第17期摘要：为了解决基于LabVIEW FPGA模块的DMA FIFO深度设定不当带来的数据不连续问题，结合LabVIEW FPGA的编程特点和DMA FIFO的工作原理，提出了一种设定FIFO深度的方法。
对FIFO不同深度的实验表明，采用该方法设定的FIFO深度能够比较好地满足系统对数据连续传输的要求。
研究结果对深入展开研究和工程设计具有一定的指导意义。
关键词：LabVIEW FPGA模块； FIFO；数据连续传输; 时钟域中图分类号：TN958-34 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)17-0149-04LabVIEW FPGA-Based Data Continuous Transmission Between Two Clock DomainsCUI Pei-pei, HE Qiang, HAN Zhuang-zhi, SHANG Chao-xuan(Department of Optics and Electronics Engineering, Ordnance Engineering College, Hebei shijiazhuang 050003, China)Abstract： In order to solve the problem of data transmission discontinuity caused by the improperly depth setting of DMA FIFO based on LabVIEW FPGA, a method of setting the depth of FIFO is presented in combination with the characteristic of LabVIEW FPGA and the working principle of DMA FIFO. The experiment of FIFO with different depth indicates that the method can satisfy the requirement of the continuity of data transmission. The result has a certain instruction meaning for further research and engineering design.Keywords： LabVIEW FPGA; FIFO; continuous data transmission; clock domain0 引言20世纪80年代中期，NI公司推出了一种图形化的编程语言LabVIEW［1］，并于2003年推出FPGA模块［2］。
多功能数字时钟fpga源代码
多功能数字时钟fpga源代码以下是一个基于FPGA的多功能数字时钟的简化源代码示例。
请注意，由于FPGA设计和编程的复杂性，这里提供的代码只是一个概念性的框架，并不能直接用于生产环境。
此外，代码的长度和详细程度可能会因具体的FPGA型号、设计工具和需求而有所不同。
verilogmodule DigitalClock(input wire clk, // 输入时钟信号input wire rst, // 复位信号output wire [5:0] sec, // 秒output wire [5:0] min, // 分output wire [4:0] hour // 时);reg [25:0] counter = 0; // 26位计数器reg [5:0] sec_reg = 0, min_reg = 0, hour_reg = 0; // 寄存器always @(posedge clk or posedge rst) beginif (rst) begincounter <= 0;sec_reg <= 0;min_reg <= 0;hour_reg <= 0;end else begincounter <= counter + 1;if (counter == 50000000) begin // 假设时钟频率为50MHz，则每1秒计数器加1counter <= 0;sec_reg <= sec_reg + 1;if (sec_reg == 60) beginsec_reg <= 0;min_reg <= min_reg + 1;if (min_reg == 60) beginmin_reg <= 0;hour_reg <= hour_reg + 1;if (hour_reg == 24)hour_reg <= 0;endendendendendassign sec = sec_reg;assign min = min_reg;assign hour = hour_reg;endmodule以上代码是用Verilog语言编写的，它是一种硬件描述语言，常用于FPGA和ASIC设计。
基于FPGA的FIFO存储器设计
基于FPGA的FIFO存储器设计一.FIFO的设计原理FIFO（First In First Out）是先进先出存储器的缩写，它是一种实现数据先进先出的存储器件，通常用作数据缓冲器。
FIFO一般用于不同时钟之间的数据传输，比如FIFO的一端是AD数据采集，另一端是计算机的PCI总线，在两个不同的时钟域间就可以采用FIFO来作为数据缓冲。
另外，对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，例如单片机为8位输出，DSP为16位输出，在单片机与DSP连接时就可以使用FIFO来达到数据匹配的目的。
在实际工作中，对FIFO的数据操作是靠其满/空标志来实现的。
所谓满标志，指的是当对FIFO写数时，如果数据足够多，多到FIFO的内存已经装满了，此时便由FIFO内部状态电路送出一个表示内存已满的信号以阻止对FIFO的写操作。
同理，所谓空标志，指的是当从FIFO读数时，如果数据被读完了，便有FIFO内部状态电路送出一个空标志信号以阻止对FIFO的读操作。
总之，在控制FIFO的读写操作时，必须把握一个原则：写满不溢出，读空不多读。
根据FIFO工作的时钟域不同，可以将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO两大类。
同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟，在时钟沿来临时同时发生读写操作；异步FIFO是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的。
和同步时钟相比，特别是在网络接口、图像处理等方面，异步FIFO应用空间更为广泛。
二．FIFO设计功能及系统框图FIFO的整个系统可分为写地址产生逻辑、度地址产生逻辑、双端口存储器、满/空标志产生逻辑4大部分。
其中，FIFO的存储介质为一块双端口存储器，可以同时进行读写操作。
在写地址产生逻辑部分，由写地址产生逻辑产生写控制信号和写地址；在读地址产生逻辑部分，由读地址产生逻辑产生读控制信号和读地址。
在满/空标志产生部分，由读写地址相互比较产生满/空标志。
具体模块结构如下图所示：本实验完成的是8位FIFO的设计。
FPGA设计的四种常用思想与技巧乒乓操作
FPGA设计的四种常用思想与技巧乒乓操作FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以根据需要重新配置其内部硬件电路。
在FPGA设计中，有许多常用的思想和技巧，其中之一就是乒乓操作。
乒乓操作是指通过交替使用两个资源或状态来实现其中一种功能或优化设计的一种方法。
本文将介绍FPGA设计中的四种常用思想与技巧乒乓操作。
1.数据缓冲乒乓操作：数据缓冲乒乓操作是指在设计中使用两个缓冲区交替存储数据。
一个缓冲区用于接收数据，另一个缓冲区用于处理数据。
当一个缓冲区正在接收数据时，另一个缓冲区可以同时进行数据处理。
这种乒乓操作可以提高数据处理的效率，减少数据处理的延迟。
2.时钟域乒乓操作：时钟域乒乓操作是指在设计中使用两个时钟域交替操作。
一个时钟域用于采样输入数据，另一个时钟域用于处理数据。
这种乒乓操作可以实现不同时钟域之间的数据交换和同步。
例如，可以将输入数据从一个时钟域同步到另一个时钟域，然后再进行处理。
这种乒乓操作可以解决时钟域之间的异步问题，提高设计的可靠性和性能。
3.状态机乒乓操作：状态机乒乓操作是指在设计中使用两个状态机交替执行其中一种功能。
一个状态机用于执行一些任务，另一个状态机用于处理其他任务。
这种乒乓操作可以实现多任务的并行处理。
例如，可以将一个状态机用于处理输入数据，另一个状态机用于处理输出数据。
这种乒乓操作可以提高设计的并行度，加快任务的执行速度。
4.存储器乒乓操作：存储器乒乓操作是指在设计中使用两个存储器交替读写数据。
一个存储器用于读取数据，另一个存储器用于写入数据。
这种乒乓操作可以实现数据的连续读写，提高存储器的访问效率。
例如，可以将一个存储器用于读取输入数据，另一个存储器用于写入输出数据。
这种乒乓操作可以减少存储器的读写延迟，提高数据的传输速度。
综上所述，FPGA设计中的乒乓操作是一种常用的思想和技巧，可以提高设计的效率和性能。
通过数据缓冲乒乓操作、时钟域乒乓操作、状态机乒乓操作和存储器乒乓操作，可以实现数据的并行处理、时钟域的同步、多任务的执行和存储器的高效访问。
axi fifo 用法
axi fifo 用法
AXI FIFO是一种FPGA中的IP核，用于在AXI (Advanced eXtensible Interface)总线上实现FIFO (First-In-First-Out)缓冲器操作。
AXI是一种高性能、低功耗的总线协议，用于连接处理器、存储器和其他外设。
AXI FIFO主要用于解决数据传输中的流控制问题，可以在不同的时钟域之间传递数据。
它可以实现两个时钟域之间的数据缓冲和异步转换。
以下是AXI FIFO的一些常见用法：
1. 数据缓冲：当数据的生产者和消费者之间速度不匹配时，可以使用AXI FIFO进行数据缓冲。
它可以在生产者和消费者之间存储数据，直到消费者准备好处理它们。
2. 时钟域转换：当两个时钟域的频率不同，或者存在时钟抖动等问题时，可以使用AXI FIFO进行时钟域转换。
它可以在不同的时钟域之间同步传递数据，并提供了FIFO深度和带宽适配的功能。
3. 数据收集：当需要从不同的源收集数据时，可以使用AXI FIFO进行数据收集。
它可以接受来自多个源的数据，并将其存储在FIFO中，以便后续处理。
4. 数据分发：当需要将数据分发给多个目标时，可以使用AXI FIFO进行数据分发。
它可以接受来自一个源的数据，并
将其复制并发送给多个目标。
为了使用AXI FIFO，你需要实例化该IP核并连接到AXI总
线和其他系统组件。
然后，你可以配置FIFO的深度、宽度、
时钟域等参数，并使用读写接口对FIFO进行读写操作。
这样，你就可以根据需要进行数据缓冲、时钟域转换、数据收集和数据分发等操作。
FPGA时钟设计
FPGA时钟设计在FPGA设计中，时钟设计需要考虑以下几个方面：1.时钟源：时钟源可以是外部信号源，也可以是FPGA内部的时钟发生器。
外部时钟源一般来自外部设备或者振荡器。
FPGA内部的时钟发生器可以根据需要生成所需的时钟频率。
2.时钟分频：时钟分频是指将输入的时钟频率分频为所需的输出频率。
在一些应用中，需要将时钟频率降低到一个更低的频率，以降低功耗或满足特定的应用需求。
3.时钟分配：在FPGA设计中，可能会有多个模块需要使用时钟信号。
时钟分配是指将时钟信号分配给各个模块，以确保它们能够按照同步的方式工作。
4.时钟域划分：在FPGA设计中，可能会存在多个时钟域，即不同的时钟频率和时钟相位。
时钟域划分是指将设计中的电路划分为不同的时钟域，并确保时钟跨域的数据传输正确。
5.时钟驱动和延迟：时钟驱动和延迟是指时钟信号的传输延时。
由于FPGA中的逻辑电路通常具有不同的传输延时，所以时钟信号需要正确地驱动各个子模块，以确保数据的正常传输。
在进行FPGA时钟设计时，需要考虑以下几个关键问题：1.时钟频率选择：时钟频率选择需要综合考虑系统的需求和FPGA的性能。
较高的时钟频率可以提高系统的工作速度，但也会增加功耗和电磁干扰。
较低的时钟频率可以降低功耗和电磁干扰，但会降低系统的工作速度。
2.时钟相位对齐：时钟相位对齐是指在不同时钟域之间进行数据传输时，需要确保时钟相位的对齐。
时钟相位对齐可以通过插入寄存器或者使用FPGA的时钟管理资源来实现。
3.时钟缓冲和驱动：时钟缓冲和驱动是指对时钟信号进行放大和驱动，以确保时钟信号能够正常传输和驱动其他模块。
时钟缓冲和驱动可以使用FPGA内部的时钟管理资源，如PLL和BUFIO等。
4.时钟分频策略：时钟分频策略是指根据需要将时钟频率分频为所需的频率。
时钟分频可以使用FPGA内部的分频器来实现，也可以使用逻辑电路来实现。
在FPGA时钟设计过程中，需要进行时钟约束设置，即设置时钟频率、时钟相位和时钟域等约束条件。
基于FPGA的异步FIFO设计与实现
基于FPGA的异步FIFO设计与实现王伟国;张振东【摘要】随着现代数字电路系统密度和规模的不断扩大,一个系统中通常会包含多个时钟,因此不同时钟之间的数据传输成为亟待解决的问题.而一种可靠易行的解决方案就是异步FIFO.异步FIFO需要非常严格的多时钟技术,难以作出正确的设计合成和分析.本文提出了一种利用格雷码作为读写地址计数器的异步FIFO的设计方法,有效的避免了数据在不同时钟时间传输时遇到的亚稳态问题.并给出了综合仿真结果.%With the expanding of the density and scale of modern digital circuitry,a system will contain multiple clock.Therefore,the transfer of data between different clock becomes a serious problem needs to be solved.A reliable and feasible solution is asynchronous FIFO.Asynchronous FIFO require very strict clock technology,it is difficult to make the correct design of synthesis and analysis.This paper presents a design method of asynchronous FIFO which based on read/write counter in terms of gray code.This method effectively avoid the metastable state in the data transmission between different clock and given a comprehensive simulation results.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)003【总页数】6页(P79-84)【关键词】多时钟;异步fifo;verilog;HDL;格雷码【作者】王伟国;张振东【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033／中国科学院研究生院,北京100039【正文语种】中文【中图分类】TN4330 引言随着现代数字电路系统的实时数据处理能力的不断提高，逻辑电路的复杂程度和内核处理器的运算速度也快速增长，在使得一些复杂算法得以实现的同时也加剧了快速CPU与慢速外设之间的冲突.异步FIFO大量数据缓存的能力成功的解决了这一问题，但专用的高速异步FIFO芯片价格昂贵，且容量受限，随着现场可编程逻辑器件容量和速度的不断提高，利用现场可编程逻辑器件设计异步FIFO成为可行的方法.本文首先讨论了异步FIFO设计中经常出现的亚稳态问题和二进制计数器多位同时改变的问题，并给出解决办法，然后讨论了两种格雷码计数器的形式并作出比较，最后给出一种以格雷码为读写地址计数器的异步FIFO的设计方法和在设计异步FIFO时必须要注意的细节.1 多时钟电路中的亚稳态问题在一个时序电路中，合理的建立时间和保持时间是触发器正常工作的前提条件.对于下降沿触发的触发器而言，下降沿触发之前输入数据持续的最短时间是建立时间（setup time），下降沿触发之后输入数据持续的最短时间是保持时间（hold time）.当电路时序不能满足setup time／hold time的要求时，系统时序就会出现混乱.在异步时序电路中，不同时钟之间是不存在任何关系的，必然会产生建立时间和保持时间冲突.解决系统时序问题常用双锁存器法如下图1所示，即在不同时钟之间传输数据时连续锁存两次.但是这种方法只是保证了电平的稳定，而在实际的系统中还需要FIFO作为不同时钟之间传输多位数据的接口.图1 避免亚稳态出现的双锁存器法2 异步FIFO指针对于同步FIFO来说，使用一个计数器计算读出和写入到FIFO缓存器中的数据量，计数器在只有写没读是递增，只读没写是递减，既读又写和没读也没写时保持不变.当计数器到达设定值时FIFO满信号置位，为零时空信号置位.在异步FIFO中，由于这种计算数据个数增减的计数器会被两个不同的时钟控制，因此这种计数器不能使用.所以，为了决定FIFO“空”和“满”状态，读指针和写指针必须相互比较.设计FIFO最主要的困难是生成FIFO指针和找到一个决定FIFO“空”和“满”状态的可靠方法.在FIFO设计中，读指针和写指针总是指向下一个要读和写的地址空间.当读或写操作完成后指针自动递增，当FIFO是空时读指针和写指针相等，当FIFO满时读指针和写指针也是相等.一种解决的方法是增加一个多余的MSB位来区分两种状态，当写指针递增超过地址范围时，写指针会递增MSB位，其他位清零，读指针同样也是.当读指针和写指针的MSB位不同时，意味着写指针比读指针多走了一圈，当MSB位相同时意味着走的圈数相等（如图2所示）图2 增加多余MSB后区分FIFO空和FIFO满的方法示意图当FIFO存储缓冲区需要（n－1）位地址时，地址指针用n位，当指针相等（包括MSB位）时空标志置位，当指针低（n－1）位相等且MSB位不等时满标志置位.2.1 二进制FIFO指针的情况二进制地址计数量会有多个位同时变化，因此在把二进制量在不同时钟域之间同步时会出现问题.一个解决的方法是取样并把周期计数量寄存在一个保持寄存器中，并发出一个ready信号，新时钟域收到信号并发出确认信号，这样变化的计数量就安全的传送到新时钟域.用这种方法不会产生上溢和下溢，因为当读指针递增到与写指针相等时，空信号置位，取样的写指针不反映当前写指针的值，而是小于当前值，故永远不能产生下溢，满信号也是如此.最常用的解决方法是用格雷码计数器，格雷码在每个时钟只有一位变换可以极大的减少在同步计数时错误的发生.3 格雷码计数器设计格雷码计数器的方法有很多，这里介绍二种简单直接的方法.下面详细介绍两种方法.3.1 格雷码计数器中的问题为了更好的理解把n-bit计数器转换成（n－1）-bit计数器时出现的问题，先考虑一下一个双重4-bit和3-bit格雷码计数器的例子如图3.图3 4-bit格雷码计数器示例及转换成3-bit格雷码时出现的问题在4-bit计数器中除了MSB位其余位关于中间对称，我们把2nd MSB位反相后，上半部分与下半部分的LSBs便相等.但是经过反相操作后整体便不是格雷码了，例如15（1100）到0（0000）的转变过程有两个bits变化，在下面的第一种格雷码计数器中会有解决方法.3.2 第一种格雷码计数器图4是第一种计数器的框图并是双重格雷码计数器中两个bits同时跳变的解决方法.其中假设输出寄存器的值是格雷码（ptr），此格雷码被输出到格雷码到二进制的转换器中，然后通过一个有条件递增的加法器并输出下一个格雷码值（gnext），连接到输出寄存器的输入端，如框图上半部分所示.（n－1）-bit格雷码简单地通过n-bit格雷码的2个MSBs的异或操作产生，（n－2）个LSBs不变.图4 第一种格雷码计数器示意图及其如何避免了两位同时跳变问题3.3 第二种格雷码计数器此种风格的格雷计数器（如图5所示）用了两组寄存器避免了把格雷码转换成二进制数的步骤.而且第二组寄存器也可以直接用来寻址FIFO存储器.n-bit格雷码指针仍然需要同步到不同的时钟域中.二进制指针可以更容易的通过计算产生“几乎满”和“几乎空”信号.因此在本论文的设计中用此种风格的格雷码计数器.图5 第二种格雷码计数器工作示意图4 总体设计及“空”和“满”信号的产生总体设计如图6所示，本设计方案共有四个模块，双口RAM模块，读控制模块，写控制模块，格雷码同步模块.写控制模块主要是当写使能信号有效且写满信号无效时产生写地址并实行地址递增功能，读控制模块实现相似功能，双口RAM模块用来使缓冲数据其读写动作可同时进行.4.1 “空”和“满”信号的产生“空”信号的产生比较简单，只需同步到读时钟域的写地址格雷码与n-bit的读指针的格雷码完全相等即可代码如下图6 异步FIFO总体设计框图及其信号说明但是，“满”信号的产生就没那么容易，简单地用n-bit格雷码作比较判断“满”信号是不可靠的.因为格雷码除了MSB位外是对称的如图3所示.在图3中假如写指针和读指针都指向地址7，此时写指针递增一次后，写指针指向地址8，读指针和写指针相比较，除了MSB位不同外其余各位均相等，满信号此时有效，但这是不符合实际情况的，错误的.这也是为什么在图4中应用双重n-bit格雷码计数器的一个原因.正确判断满信号的条件是：读写指针的n-bit格雷码的前两个MSBs都不相等，其余的写指针和同步读针相等.代码如下4.2 不同时钟速度因为异步FIFO被两个不同的时钟控制，很明显两个时钟运行在不同的速度下.当把较快的时钟同步到较慢的时钟时，会有一些计数值被跳过.当被同步的格雷码递增两次只被取样一次时也不会出现亚稳态问题，因为亚稳态出现在同步时钟上升沿附近有多位同时跳变时，而在两个同步时钟沿之间有格雷码跳变两次，第一次跳变距离同步时钟条边沿较远，只有第二次跳变在同步时钟沿附近，故不会产生亚稳态.当较快的格雷码计数器在较慢时钟沿之间递增多于一次，不会出现已经溢出却没有检测到的现象，因为同步到写时钟域的读指针滞后于当前的读指针，而写指针只会小于或等于同步读指针，故不会出现溢出.5 设计仿真及总结本设计采用Xilinx公司Spartan3A系列的XC3S1400A，封装时PG484，速度是－4，仿真器是ISE Simulator（VHDL／Verilog），硬件描述语言是Verilog，开发工具是ISE.最后对电路进行时序分析，结果为该FIFO运行速度可达到90.63MHz.wclk、rclk时钟周期分别为：75MHz、80MHz.先向FIFO中写入18个数据，当第16个数据被读入后wfull立即被置位如下图7.图7 写满仿真结果同时向FIFO中写入和读出数据，由于wptr要经过两个读周期才能同步到读时钟域，故在waddr递增后的第二个rclk的上升沿rempty才清零如下图8所示.本文对异步FIFO的结构和重要时序问题给予了详细的阐述，并得到了可靠的仿真结果.在高速数据采集系统中，采用高性能FPGA作为数据预处理和高速异步FIFO 作为数据采集缓存的应用都十分广泛.把FIFO集成在FPGA中简化了电路设计的复杂程度，增加了电路的集成化程度和可靠性，是未来高速数据采集系统的重要发展方向.图8 同时写入读出时的仿真结果参考文献【相关文献】［1］ Clifford E.Cummings，Synthesis and Scrip ting Techniques for De signing Multi-Asynchronous Clock Designs［A］.SNUG-2001，2001（3）：2-8.［2］吴自信，张嗣忠.异步FIFO结构及FPGA设计［J］.单片机及嵌入式系统应用，2000，22（3）：1.［3］赵雅兴.FPGA原理、设计与应用［M］.天津：天津大学出版社，1999.［4］夏宇闻.数字系统设计-Verilog实现［M］.北京：高等教育出版社，2006.［5］王金明.Verilog HDL程序设计教程［M］.北京：人民邮电出版社，2004.。
跨时钟域传输组合逻辑
跨时钟域传输组合逻辑全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：跨时钟域传输组合逻辑是在数字集成电路设计中一种常见的技术，它的主要目的是实现跨不同时钟域之间的数据传输。
在现代的数字系统中，由于体积和功耗的限制，往往需要在不同的时钟域之间传输数据。
跨时钟领域传输组合逻辑通常用于连接不同频率的时钟信号，例如将一个高速数据处理模块的输出传输到一个低速的外设接口。
这种技术的应用范围非常广泛，涉及到各种不同的应用，比如数据通信、控制系统、数字信号处理等。
在跨时钟域传输组合逻辑的设计中，最主要的问题是如何解决两个不同频率时钟域之间的时序问题。
由于在不同时钟域中的信号速度不同，数据在传输过程中可能会出现时序不一致的情况，这就需要设计者采取一系列措施来解决这个问题。
通常的解决方法包括使用FIFO 缓冲区、插入同步器、引入异步握手信号等。
在实际的设计中，跨时钟域传输组合逻辑的设计有一些常见的注意事项。
需要确保不同时钟域之间的数据传输是可靠的，不会出现数据的丢失或者错位。
要尽量减少时序不一致带来的性能损失，保证系统的稳定性和可靠性。
需要考虑电路的功耗和面积开销，选择合适的设计方法和技术来实现跨时钟领域传输组合逻辑。
在实际应用中，跨时钟域传输组合逻辑的设计需要结合具体的系统需求和设备特性来进行优化。
有些情况下，可能需要结合FPGA等器件来实现跨时钟域传输逻辑的设计。
跨时钟域传输组合逻辑的设计是一个比较复杂的过程，需要设计者有一定的经验和技能来完成。
跨时钟域传输组合逻辑在数字系统中起着至关重要的作用。
它可以帮助设计者在不同时钟领域之间高效地传输数据，实现系统的功能需求。
在未来的数字系统设计中，跨时钟领域传输组合逻辑将会越来越受到重视，并不断得到进一步的发展和完善。
第二篇示例：跨时钟域传输是数字电路设计中一个常见的挑战，尤其是在现代集成电路中更是不可避免的问题。
在复杂的数字系统中，常常需要在不同的时钟域之间传输数据，这就涉及到了跨时钟域传输的问题。
FPGA设计中的分布式时钟网络布线技术
FPGA设计中的分布式时钟网络布线技术在FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）设计中，时钟是一个至关重要的因素，确保所有逻辑电路在正确的时间序列下运行。
在FPGA中，时钟信号的传输和分布是一个复杂的工程，尤其是在大型设计中。
为了提高时钟信号的传输稳定性和准确性，工程师们通常会采用分布式时钟网络布线技术。
分布式时钟网络布线技术是指将时钟信号从时钟源传输到整个芯片的各个区域，以确保时钟信号的传输延迟尽可能一致，以避免不同部分之间的时钟偏移。
这种技术通常通过合理设计时钟网络结构和布线方式来实现。
在FPGA设计中，首先需要确定时钟源，通常是一个高频时钟源，比如PLL （Phase-Locked Loop，锁相环）产生的时钟信号。
接下来，时钟信号需要通过时钟分配网络传输到各个时钟域。
在分布式时钟网络布线中，时钟信号传输的路径应该尽可能短，以减小传输延迟和时钟抖动。
在实际设计中，工程师需要考虑以下几个关键因素来优化分布式时钟网络布线：1. 时钟域划分：将整个FPGA设计划分为多个时钟域，每个时钟域都有自己的时钟源和时钟信号。
通过合理划分时钟域，可以降低时钟干扰和时钟抖动，提高时钟网络的稳定性。
2. 时钟缓冲器：在时钟网络中加入适当数量的时钟缓冲器，可以降低时钟信号传输的延迟和时钟抖动。
时钟缓冲器可以帮助在不同时钟域之间实现同步，保证时序逻辑的正确性。
3. 时钟树合成：设计合理的时钟树结构，使时钟信号能够快速传输到各个时钟域，并减小时钟信号传输延迟。
良好的时钟树合成可以提高时钟网络的性能和稳定性。
4. 时钟约束：在FPGA设计中，设置正确的时钟约束非常重要。
时钟约束可以告诉综合工具如何优化时钟网络，确保时钟信号按照设计要求传输到各个时钟域。
总的来说，分布式时钟网络布线技术在FPGA设计中扮演着至关重要的角色。
通过合理设计时钟网络结构和布线方式，可以有效减小时钟偏移，提高时钟网络的稳定性和可靠性。
fpga fifo输入和输出位宽不同的原理 -回复
fpga fifo输入和输出位宽不同的原理-回复FPGA是一种可编程逻辑设备，具有广泛的应用领域，如通信、图像处理、嵌入式系统等。
在FPGA设计中，FIFO（First-In-First-Out）是一种重要的数据结构，用于实现数据的缓冲和流量控制。
然而，在某些情况下，FIFO的输入和输出位宽可能不同，这引发了一些设计问题。
本文将从理论和实践两方面，一步一步解答"FPGA FIFO输入和输出位宽不同的原理"这个主题。
第一步：为什么FIFO输入和输出位宽可能不同？在FPGA设计中，FIFO用于在不同的时钟域之间传输数据。
时钟域是指FPGA设计中不同模块所使用的时钟信号的频率和相位。
在不同时钟域之间进行数据传输时，由于时钟信号的频率不同，因此FIFO的输入和输出位宽可能不同。
输入和输出位宽不同的情况主要有两种原因：1. 时钟域频率不同：不同模块使用的时钟信号的频率不同，导致数据传输的速率不同。
2. 数据处理需求不同：输入数据的位宽可能与输出数据的位宽不同，因为不同组件对数据的处理需要不同的精度或粒度。
第二步：输入和输出位宽不同的设计考虑当FIFO的输入和输出位宽不同时，设计人员需要考虑以下几个方面：1. 数据格式转换：如果输入数据的位宽与输出数据的位宽不同，设计人员需要进行数据格式转换，以确保数据能够正确地传输和处理。
2. 数据对齐：由于输入和输出位宽不同，可能需要对数据进行对齐操作，以使其能够正确地进入和离开FIFO。
3. 数据丢失和溢出：由于输入数据的速率可能大于输出数据的速率，设计人员需要考虑如何处理数据丢失和溢出的情况，以确保系统的正确性和可靠性。
4. 缓冲区大小：由于输入数据和输出数据的速率可能不同，设计人员需要根据系统要求和实际情况设置FIFO的缓冲区大小，以平衡输入和输出的数据流量。
第三步：FIFO输入和输出位宽不同的解决方案为了解决FIFO输入和输出位宽不同的问题，设计人员可以采取以下几种方法：1. 数据格式转换器：设计人员可以使用数据格式转换器模块来将输入数据的位宽转换为输出数据的位宽。
fpga数字钟实验总结
fpga数字钟实验总结
FPGA数字钟实验总结：
本次FPGA数字钟实验旨在设计并实现一个基于FPGA的数字时钟。
通过该实验，我掌握了以下几个方面的知识和技能。
首先，我学会了使用FPGA开发工具进行电路设计和编程。
我使用了一种特定的硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，来描述时钟电路的功能和行为。
通过学习和实践，我能够熟练地使用FPGA开发工具创建和编辑代码。
其次，我了解了数字时钟的基本原理和组成部分。
数字时钟通常由时钟芯片、计数器、显示器和控制电路组成。
我学会了如何使用FPGA来实现这些功能，并通过编程控制时钟的显示方式和计时功能。
在实验过程中，我还学会了时序设计和逻辑电路的基本概念。
由于时钟电路需要精确的时序控制，我学会了如何设计和优化时钟电路的时序路径，以确保电路的正常运行和准确计时。
此外，我还学会了如何使用开发板上的按钮和开关等外部输入
设备来控制时钟的设置和调整功能。
通过编程，我能够实现时钟的
时间调整、闹钟设置等功能，并通过显示器将相应的信息展示出来。
最后，在实验过程中，我也遇到了一些挑战和问题。
例如，时
钟的精确性和稳定性是一个重要的考虑因素，我需要注意时钟信号
的抖动和噪声问题。
此外，时钟的显示方式和格式也需要根据实际
需求进行设计和调整。
通过本次FPGA数字钟实验，我不仅巩固了对数字电路和FPGA
开发的理论知识，还提高了实际操作和问题解决能力。
这个实验为
我今后在数字电路设计和嵌入式系统开发方面的学习和工作奠定了
坚实的基础。
fpga中的时间同步
fpga中的时间同步
FPGA中的时间同步是指在FPGA系统中实现各个模块之间的时
间一致性。
时间同步在很多应用中都是非常重要的，特别是在通信
系统、数据采集系统和控制系统中。
下面我将从几个方面来讨论FPGA中的时间同步。
首先，FPGA中的时间同步可以通过外部时钟源来实现。
FPGA通
常会接收外部的时钟信号作为参考时钟，各个模块可以根据这个参
考时钟来进行同步操作。
这种方式可以确保各个模块的操作都基于
同一个时钟信号，从而实现时间同步。
其次，FPGA中的时间同步也可以通过内部时钟管理模块来实现。
FPGA通常会包含一些时钟管理模块，可以用来生成各种时钟信号，
包括同步时钟和异步时钟。
通过合理配置这些时钟管理模块，可以
实现各个模块之间的时间同步。
另外，FPGA中的时间同步还可以通过专门的同步电路来实现。
例如，可以使用FIFO（First In First Out）缓冲器来进行数据的
同步传输，从而确保各个模块之间的数据传输是同步的。
此外，还
可以使用专门的同步信号线来进行同步控制，确保各个模块的操作
是同步的。
除了上述方法，还可以通过协议来实现FPGA中的时间同步。
例如，在通信系统中，可以使用协议来约定各个节点的时间同步方式，从而实现整个系统的时间同步。
总的来说，FPGA中的时间同步是一个复杂而重要的问题，需要
在设计和实现阶段充分考虑各个模块之间的时间一致性。
通过合理
的时钟管理、同步电路设计和协议约定，可以有效地实现FPGA系统
中的时间同步。
基于FPGA的数字时钟设计
基于FPGA的数字时钟设计数字时钟是现代生活中必不可少的时间展示设备，广泛应用于各种场所，如家庭、办公室、学校等。
随着科技的不断发展，数字时钟的功能也得到不断升级，为人们日常生活提供了更多的便利和体验。
本文将介绍基于FPGA的数字时钟设计方案。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是可编程门阵列的缩写，是一种现场可编程逻辑器件。
FPGA具有可编程性强、功能强大、极低的延迟等特点，被广泛应用于数字系统设计中。
本文中使用FPGA来实现数字时钟设计方案。
数字时钟的核心是计时电路，计时电路可以通过FPGA实现，使用FPGA来实现数字时钟的主要优点是可编程性强，能够满足不同需求的设计。
一、数字时钟的设计思路1、时钟信号的产生数字时钟的起点是时钟信号的产生，时钟信号的产生一般需要使用晶振。
晶振可以在一定频率范围内提供稳定的时钟信号。
FPGA可以通过将晶振与逻辑电路相连接，从而得到稳定的时钟信号。
2、计时电路的设计在数字时钟中，需要实现时、分、秒的计时功能。
这可以采用三个计时器来实现。
计时器可以使用FPGA内置的计数器实现，也可以通过逻辑电路实现。
计时器根据时钟信号的变化而变化，通过累计时钟信号的脉冲数计算出时、分、秒。
3、数码管的控制数字时钟的时间要通过数码管进行显示，数码管需要接受来自FPGA的控制信号才能正常显示数字。
通常采用多路复用器的方式来控制数码管的显示。
这里可以使用FPGA内置的多路复用器实现，FPGA输出控制信号，控制多路复用器选择哪个数码管进行显示。
数字时钟的硬件设计主要包括以下部分：时钟信号发生电路包含晶振以及晶振产生的时钟信号经过变压器传送到电路板上。
在电路板上，时钟信号经过电路处理，产生一定的电平和频率，供后续计时模块使用。
2、计时模块计时模块包括三个计时器，分别用于计算时、分、秒。
计时器通过累加时钟信号的脉冲数计算时间。
计时模块的输出需要送到数码管的控制模块进行显示。
vivado跨时钟域约束
vivado跨时钟域约束Vivado是一款由Xilinx公司开发的集成电路设计工具，用于设计和实现FPGA（现场可编程门阵列）和SoC（片上系统）等数字电路。
在FPGA设计中，时钟域划分和时钟约束是非常重要的步骤，特别是在跨时钟域的设计中。
跨时钟域设计是指在一个FPGA设计中存在多个时钟域，不同的时钟域之间存在时序约束和时钟域间的数据传输。
由于不同时钟域之间的时钟频率和相位存在差异，因此需要进行跨时钟域约束来确保数据的正确传输和时序的满足。
在Vivado中，可以使用set_clock_groups命令来定义时钟组，以及使用set_false_path和set_multicycle_path等命令来设置跨时钟域约束。
我们需要将不同的时钟信号分组，形成时钟组。
在时钟组中，所有时钟信号都需要满足相同的时钟约束。
我们可以使用set_clock_groups命令来定义时钟组，如下所示：set_clock_groups -asynchronous -group {clk1 clk2 clk3}上述命令表示将clk1、clk2和clk3形成一个时钟组，并且时钟之间是异步的。
这意味着在时钟组中的时钟之间不需要保持任何特定的时序关系。
除了时钟组的设置，还需要设置跨时钟域的路径约束。
在跨时钟域的设计中，数据的传输需要经过时钟域边界，因此需要设置路径约束来确保数据的正确传输。
在Vivado中，可以使用set_false_path命令来设置不需要进行时序分析的路径，如下所示：set_false_path -from [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]上述命令表示将clk1到clk2之间的路径设置为false path，不进行时序分析。
这样可以避免时序分析器对这条路径进行时序优化，从而减少时序分析的复杂性。
除了set_false_path命令，还可以使用set_multicycle_path命令来设置跨时钟域的多周期路径。
基于FPGA的跨时钟域信号处理——专用握手信号
基于FPGA的跨时钟域信号处理——专用握手信号在规律设计领域，只涉及单个时钟域的设计并不多。
尤其对于一些复杂的应用，往往需要和多个时钟域的信号举行通信。
异步时钟域所涉及的两个时钟之间可能存在相位差，也可能没有任何频率关系，即通常所说的不同频不同相。
图1是一个跨时钟域的异步通信实例，发送域和接收域的时钟分离是clk_a和clk_b。
这两个时钟频率不同，并且存在一定的相位差。
对于接收时钟域而言，来自发送时钟域的信号data_a2b有可能在任何时刻变幻。
图1 跨时钟域通信
对于上述的异步时钟域通信，设计者需要做特别的处理以确保数据牢靠的传输。
因为两个异步时钟域的频率关系不确定，触发器之间的建立时光和保持时光要求也无法得到保证。
假如浮现建立时光或者保持时光违规，接收域将会采样处处于亚稳态数据，那么后果可想而知。
如何有效的举行跨时钟域的信号传输呢?最基本的思想是同步，在这个基础上设计者可以利用各种协议商定举行通信。
单向控制信号检测方式(前面提到过的脉冲信号检测办法，这里为了和握手方式相区分，所以如此称呼)、握手协议的方式或者借助存储器的方式都是比较常用的处理手段。
本文将重点介绍握手方式举行异步时钟域的通信。
图2是一个基本的握手通信方式。
所谓握手，意即通信双方用法了专用控制信号举行状态指示。
这个控制信号既有发送域给接收域的，也有接收域给发送域的，有别于前面的单向控制信号检测方式。
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跨时钟域信号处理方法
跨时钟域信号处理方法跨时钟域信号处理方法是在多个时钟域之间进行数据传输和处理的技术。
由于不同的时钟域可能存在时钟频率不同、时钟相位不同或是时钟源不同等问题，因此在进行跨时钟域信号处理时需要采取一些方法来解决时钟不一致性所带来的问题。
一种常见的跨时钟域信号处理方法是采用异步通信协议。
在异步通信中，发送方和接收方的时钟是相互独立的，它们之间并没有直接的时钟连接。
发送方会在数据中插入同步标志符号来指示数据的开始和结束。
接收方会通过检测这些标志符号来进行数据的同步和处理。
异步通信协议的优势是简单、灵活，能够适应不同时钟频率的情况。
然而，由于异步通信协议中不同时钟域之间没有严格的时钟同步，可能存在数据传输不可靠的问题，因此需要采取一些措施来保证数据的可靠性。
另一种跨时钟域信号处理方法是采用同步通信协议。
在同步通信中，发送方和接收方的时钟是相同的或有严格的时钟同步。
发送方会按照时钟周期发送数据，在接收方的时钟周期内进行数据采样和处理。
同步通信协议的优势是能够提供更高的数据传输可靠性，但是对于时钟频率差距较大的情况可能需要额外的时钟域转换电路来进行同步。
除了采用异步通信和同步通信协议外，还可以采用一些时钟域转换的方法来解决跨时钟域信号处理的问题。
一种常见的时钟域转换方法是使用FPGA（现场可编程门阵列）来进行时钟域转换。
FPGA可以实现多个时钟域之间的数据传输和处理，并且可以根据需要进行时钟频率转换和时钟域切换。
此外，还可以采用缓冲器、锁相环等电路来解决时钟不一致性所带来的问题。
总之，跨时钟域信号处理是一个复杂的问题，涉及到时钟频率、时钟相位和时钟源等多个方面的考虑。
通过采用异步通信协议、同步通信协议以及时钟域转换等方法，可以有效地解决跨时钟域信号处理的问题，提高数据传输的可靠性和性能。
fpga快时钟到慢时钟的握手信号法
fpga快时钟到慢时钟的握手信号法FPGA是一种可编程逻辑器件，它通过配置内部的连线和逻辑资源，可以实现各种数字电路的功能。
在FPGA中，时钟同步是一个非常重要的问题。
当系统中存在多个时钟域时，需要确保不同时钟域之间的数据传输是可靠的。
本文将介绍一种常用的FPGA时钟域间握手信号的方法：快时钟到慢时钟的握手信号法。
在FPGA设计中，不同的模块可能使用不同的时钟频率。
为了确保数据的正确传输，需要在时钟域间进行握手信号的传递。
快时钟到慢时钟的握手信号法是一种常用的解决方案。
我们需要明确快时钟和慢时钟的概念。
快时钟指的是时钟频率较高的时钟信号，慢时钟指的是时钟频率较低的时钟信号。
在FPGA设计中，快时钟一般用于高速逻辑运算，而慢时钟一般用于低速控制逻辑。
在快时钟到慢时钟的握手信号法中，我们需要引入一个中间信号，将快时钟的状态传递给慢时钟。
这个中间信号可以是一个寄存器或者一个状态机。
当快时钟的状态发生变化时，我们需要将这个变化传递给中间信号。
这可以通过触发器或者寄存器实现。
在快时钟的上升沿或下降沿触发时，将快时钟的状态存储到中间信号中。
然后，在慢时钟的时钟边沿，我们读取中间信号的状态。
这个状态表示了上一个快时钟周期内的状态。
通过读取中间信号的状态，我们可以得知快时钟的状态是否发生了变化。
接下来，我们需要在慢时钟的时钟边沿，将中间信号的状态传递给慢时钟域的其他逻辑。
这可以通过触发器或者寄存器实现。
在慢时钟的上升沿或下降沿触发时，将中间信号的状态存储到目标寄存器中。
这样，慢时钟域的其他逻辑就可以使用这个状态来进行后续的操作。
需要注意的是，在快时钟到慢时钟的握手信号法中，中间信号的状态传递是异步的。
这意味着，中间信号的状态可能会在慢时钟的任意一个时钟边沿发生变化。
因此，在设计时需要考虑到这种异步传输带来的时序问题，确保数据传输的可靠性。
为了减少时钟域间的握手信号的复杂性，可以使用更高级的时钟同步技术，如FIFO（First In First Out）缓冲器。
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多时钟域数据传递的FPGA 实现鲁 玲(扬州大学能源与动力工程学院江苏扬州 225009)摘 要:分析了多时钟域数据传递设计中亚稳态的产生以及对整个电路性能和功能的影响,以一款异步并行通信接口芯片的设计为例,详细描述了采用同步器、FIFO 实现8位并行数据到16位并行数据的两时钟域异步转换的过程。
电路在XilinxISE6.0环境下用Modelsim5.7进行了逻辑仿真,结果表明系统稳定可靠。
关键词:多时钟域;亚稳态;FP GA ;异步信号;FIFO中图分类号:TP391.98 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2007)212130203An Implementation of Communicating Data bet w een Multi 2clock Domain B ased on FPG AL U Ling(Institute of Energy &Power ,Yanghou University ,Yangzhou ,225009,China )Abstract :The paper analyses the metastability which is caused by communicating data between multi 2clock domain and effect of metastability to the circuit.For example ,the design of asynchronous parallel interface chip is described to make use of synchronizer and FIFO to transfer the data band f rom 8bits to 16bits between two clock domain in details.The circuit is simulated on a Modelsim5.7with Xilinx ISE6.0software and good test result has gotten.K eywords :multi 2clock domain ;metastability ;FP GA ;asynchronous signal ;FIFO收稿日期:2007207225 随着EDA 技术的发展,由于其在电子系统设计领域中的明显优势,FP GA 已经在许多方面得到了广泛应用,特别是在无线通信领域,FP GA 以其极强的实时性,指令软件编程的极大灵活性赢得了巨大的市场。
本文采用FP GA 来设计一款广泛应用于计算机、Modem 、数据终端以及许多其他数字设备之间的数据传输的专用异步并行通信接口芯片,实现了某一时钟域(如66M Hz )的8位并行数据到另一低时钟域(如40M Hz )16位并行数据的异步转换,并且客户可以根据自己的要求进行数据定义。
完成数据在不同时钟域间的正确传递的同时防止亚稳态的出现,保持系统的稳定,是电路设计的关键。
1 时钟域转换中亚稳态的产生触发器是数字电路设计中的一个重要元件,而触发器工作过程中存在数据建立与保持时间的约束,如果这种约束得不到满足,触发器就会进入某个不确定状态———亚稳态[1]。
亚稳态的存在可能导致连锁反应,以致引起整个系统功能混乱。
在单时钟域电路设计中由于不存在时钟之间的延迟和错位,所以建立条件和保持条件的时间约束容易满足。
而在多时钟域里由于各个模块的非同步性,则必须考虑亚稳态的发生,如图1所示。
图1 多时钟域亚稳态的产生2 多时钟域数据传递方案多时钟域传递的信号有两种,其一为控制信号,其二为数据流信号。
针对这两种不同的信号,分别采取不同方案遏制系统堕入亚稳态。
对控制信号采用同步器装置,即在2个不同的时钟域之间插入同步器;而对于不同独立时钟域之间的数据流传递,为了避免异步时钟域产生错误的采样电平,采用FIFO 存储器作为其转换接口,在输入端口使用写时钟写数据,在输出端口使用读时钟读数据,这样就完成了异步时钟域之间的数据交换[2]。
芯片的总体逻辑框图如图2所示,图中输入输出信号定义如表1所示。
从逻辑结构上将芯片划分为3块:写时钟域I/OBU FFER 、读时钟域I/O BU FFER 及FIFO 存储器。
I/OBU FFER 的主要作用是对外部信号进行预处理,消除外31自动化技术鲁 玲:多时钟域数据传递的FP GA 实现部信号的毛刺,保证信号可靠并使外部的信号与时钟信号同步,消除不稳定的因素。
根据信号的数目,BU FFER 由相应数目的多个D触发器构成。
图2 芯片的总体逻辑框图表1 芯片输入输出信号定义clka :input clock (66M Hz )fp :output frame begin clkb :output clock (40M Hz )valid :Output data enable ,high level enablerst :asynchronous reset ,low level enable indata :t he input data (8b )sof :input frame begin outdata :t he outputdata (16b )dataen :write enableFIFO 存储器结构框图如图3所示,他由双端口存储器(Dual Port RAM )、写控制单元(Write Control )和读控制单元(Read Control )构成。
其中DUAL POR T RAM 是由ISE6.0的一个编辑软件CORE GEN ERA TER 自动生成,使用者只需设定RAM 的端口数、内存大小和读写控制便可以生成一个适合程序的子模块。
由于读写时钟属于不同的时钟域,满帧信号Frame 从写控制单元向读控制单元传递时必须采取同步器(Synchronizer )同步。
图3 FIFO 存储器结构框图2.1 写控制单元设计写控制单元主要的功能是根据写数据有效信号wda 2taen 判断输入数据是否正确,在检测到写入数据帧的开始标志位wsof 后开始计数控制写指针waddr 的移动,将正确的数据写入DUAL POR T RAM 中,并在一帧数据写满后向读控制单元发出写数据满帧信号wframe 。
为防止亚稳态的出现,设计中采取了两个措施:一是采用锁存器将帧头信号wsof 拉长,确保其被稳定的采集;二是采用Gray 编码计数器替代普通二进制编码计数器来控制写指针waddr 的移动,因为Gray 码相邻两个编码之间有且只有1位发生变化从而抑制了竞争冒险的出现[3]。
2.2 同步器设计写控制单元发出的写数据满帧信号wframe 属于控制信号,他从写时域进入读时域必须采用同步器实现信号同步,将写时域的满帧信号wframe 变换为读时域的满帧信号rframe 。
由于信号是从高时钟域(66M Hz )流向低时钟域(40M Hz ),因此采用如图4所示的同步器[3]。
图4 同步器同步器时序图如图5所示,可见在写时域的满帧信号wframe 经过3个clka 周期延后跨越到读时钟域。
图5 同步器时序图2.3 读控制单元设计数据从写时域传递到读时域,时钟发生了变化,而且读控制单元的行为受到写控制单元及Dual Port RAM 中数据的存储情况的双重制约,因此他的设计是整个芯片设计成功的关键。
由于当Dual Port RAM 中写入一帧完整的正确数据后才能输出,所以读控制首先必须判断Dual Port RAM 一帧是否写满。
检测到满帧信号rframe 后,在等待输出数据帧头信号rfp 到来后控制读指针waddr 移动读出数据,并置位rvalid 表征输出数据的可靠性。
部分程序设计如下:--read controlprocess (clkb ,rst ) begin if (rst =′0′)then raddr <=(others =>′0′); elsif (clkb ′EV EN T and clkb =′1′)then if (rcntf ="11"and rfp2=′0′)then raddr <=raddr +"100"; elsif (rvalid =′1′)then raddr <=radd_r +′1′; end if ; end if ;end process ;process (clkb ,rst )begin if (rst =′0′)then rcntf <=(others =>′0′); elsif (clkb ′EV EN T and clkb =′1′)then if (rf rame =′1′and rfp2=′0′)then rcntf <=rcntf +′1′; elsif (rf rame =′0′and rfp2=′1′and (rcntf ="01"or rc 2nt_f ="10"or rcnt_f ="11"))then131《现代电子技术》2007年第21期总第260期 测试・测量・自动化 rcntf <=rcntf.′1′; elsif (rcntf ="11"and rfp2=′0′)then rcntf <=rcntf.′1′; end if ;end if ;end process ;3 多时钟域数据传递的FPG A 实现设计方案完成后选用Xilinx Spartan.II FP GA 实现电路,并在XilinxISE6.0集成环境下用Modelsim5.7进行了电路仿真。
图6为写使能信号dataen 恒为有效值“1”的仿真结果截图。
图6 dataen =1时仿真结果截图可见,在写使能信号dataen 恒为有效值“1”的情况下,在写时钟clka 控制下当写数据帧头信号sof 有效时,写控制器开始写入数据,接收到连续8个数据后,写控制器发出一个帧满信号wframe 。
wframe 信号经过异步转换后转换成clkb 时钟域的信号。
在读控制器的控制下,当clkb 时钟处于上升沿,并且检测到读出数据帧头fp 时,开始从outdata ,并将valid 置为有效。
图7为当写使能信号dataen 变化时的仿真结果截图。
可见,将dataen 置低后,系统不再接受写入数据,所以也不再输出数据,valid 被置为低电平,输出数据无效。
写控制的使能端控制达到要求。
图7 dataen 变化时仿真结果截图4 结 语针对异步并行通信接口芯片设计中涉及的多时钟域的数据传递问题,本文采用FIFO 存储器来完成不同时钟域之间数据流传递、同步器来完成控制信号传递的方案。