Verilog 跨时钟域传输：慢到快

快时钟域的信号总会采集到慢时钟域传输来的信号，如果存在异步可能会导致采样数据出错，所以需要进行同步处理。此类同步处理相对简单，一般采用延迟打拍法，或延迟采样法。

1. 延迟打拍法

最常用的同步方法是双级触发器缓存法，俗称延迟打拍法。异步信号从一个时钟域进入另一个时钟域之前，将该信号用两级触发器连续缓存两次，可有效降低因为时序不满足而导致的亚稳态问题。电路示意图如下。

一般设计中使用两级触发器进行缓存即可满足设计时序需求。大量实验表明，三级触发器缓存可解决 99% 以上的此类异步时序问题。

两级触发器延迟打拍并检测信号上升沿的 Verilog 描述如下：

module delay_clap(
    input       clk1,  //异步慢时钟
    input       sig1,  //异步信号

    input       rstn,  //复位信号
    input       clk2,  //目的快时钟域市政
    output      sig2); //快时钟域同步后的信号

   reg [2:0]    sig2_r ;   //3级缓存，前两级用于同步，后两节用于边沿检测
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
     if (!rstn) sig2_r  <= 3'b0 ;
     else       sig2_r  <= {sig2_r[1:0], sig1} ;  //缓存
   end
   assign sig2 = sig2_r[1] && !sig2_r[2] ; //上升沿检测

2. 延迟采样法

此方法主要针对多位宽的数据传输。

例如当两个异步时钟频率比为 5 时，可以先用延迟打拍的方法对数据使能信号进行 2 级打拍缓存，然后再在快时钟域对慢时钟域的数据信号进行采集。

该方法的基本思想是保证信号被安全采集的时刻，而不用同步多位宽的数据信号，可节省部分硬件资源。

利用打拍的方法进行延迟采样的 Verilog 描述如下。

//同步模块工作时钟为 100MHz 的模块
//异步数据对来自工作时钟为 20MHz 的模块
module delay_sample(
    input               rstn,
    input               clk1,
    input [31:0]        din,
    input               din_en,

    input               clk2,
    output [31:0]       dout,
    output              dout_en);

   //sync din_en
   reg [2:0]    din_en_r ;
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
     if (!rstn) din_en_r  <= 3'b0 ;
     else       din_en_r  <= {din_en_r[1:0], din_en} ;
   end
   wire din_en_pos = din_en_r[1] && !din_en_r[2] ;

   //sync data
   reg [31:0]           dout_r ;
   reg                  dout_en_r ;
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
      if (!rstn)
        dout_r         <= 'b0 ;
      else if (din_en_pos)
        dout_r         <= din ;
   end
   //dout_en delay
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
      if (!rstn)        dout_en_r      <= 1'b0 ;
      else              dout_en_r      <= din_en_pos ;
   end
   assign       dout    = dout_r ;
   assign       dout_en = dout_en_r ;

endmodule

该方法时序结果图如下所示。

显然，在 clk2 时钟域，t2 时刻对数据进行采样缓存比 t1 时刻要安全的多。

但如果慢时钟域没有数据使能信号 din_en, 或数据使能信号一直有效，此时在快时钟域对数据使能信号进行上升沿检测的方法将会失效。因为数据使能信号一直有效，除了第一个数据，快时钟域将无法检测到后继数据的传输时刻。

解决方法就是，在快时钟域对慢时钟信号的边沿进行检测。

如果两个时钟的频率相差较小，可能还需要对数据进行延迟缓存，以保证采集到的是当拍时钟的数据；如果两个时钟的频率相差较大，数据采样时刻可以通过计数的方法获得，而不用对数据进行缓存。

利用计数延迟采样的方法对慢时钟边沿进行检测的 Verilog 描述如下。

//同步模块工作时钟为 100MHz 的模块
//异步数据对来自工作时钟为 999KHz 的模块
module delay_cnt_sample(
    input               rstn,
    input               clk1,
    input [31:0]        din,
    input               din_en,

    input               clk2,
    output [31:0]       dout,
    output              dout_en);

   //4级缓存：3级用于打拍同步，一级用于边沿检测
   reg [3:0]    edge_r ;
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
     if (!rstn) edge_r  <= 3'b0 ;
     else       edge_r  <= {edge_r[3:0], clk1} ;
   end
   wire edge_pos = edge_r[2] && !edge_r[3] ;

   //延迟计数器，检测到慢时钟上升沿时开始计数
   reg [5:0] cnt ;
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
      if (!rstn)                cnt <= 6'h3f ;
      else if (edge_pos && din_en)
                                cnt <= 6'h0 ;
      else if (cnt != 6'h3f)    cnt <= cnt + 1'b1 ;
   end

   //数据同步
   reg [31:0]           dout_r ;
   reg                  dout_en_r ;
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
      if (!rstn)
        dout_r         <= 'b0 ;
      else if (din_en && cnt == 47) //大约在慢时钟周期中间时刻采样
        dout_r         <= din ;
   end
   //数据使能信号较数据采样时刻延迟一个周期输出
   always @(posedge clk2 or negedge rstn) begin
      if (!rstn)        dout_en_r      <= 1'b0 ;
      else if (din_en && cnt==48)
                        dout_en_r      <= 1'b1 ;
      else              dout_en_r      <= 1'b0 ;
   end
   assign       dout    = dout_r ;
   assign       dout_en = dout_en_r ;

endmodule 

频率相差较大的数据同步采样结果图如下。

由图可知，快时钟采样时刻在慢时钟周期中央时刻左右，此时是非常安全的。