CDC（Clock Domain Crossing）跨時鐘域

在一款芯片中多個時鐘域非常常見，跨時鐘域檢查至關重要。本篇記錄的是CDC跨時鐘域的基礎概念。

時鐘域clock domain：以寄存器捕獲的時鐘來劃分時鐘域。

單時鐘域single clock domain，數據發送和接收是同一個時鐘

多時鐘域multiple clock domain，數據發送和接收是不是同一個時鐘

同步 & 異步

是否為同一個時鐘通過同步和異步來判定。

同步時鐘：同源，有固定的相位關系

異步時鐘：不同源，沒有固定的相位關系

那么問題來了

問題1: 有兩個時鐘是通過兩個時鐘源出來，但是頻率和相位相同，那么它們是否為同步時鐘？

不是，不同的時鐘源出來頻率相同，但隨著時鐘的偏移和抖動，都會導致相位的不確定性。所以是異步時鐘。

問題2: 有兩個時鐘是通過同一個時鐘源分頻出來的，但他們的頻率不同，那么它們是否為同步時鐘？

是同步時鐘，時鐘的同步關系與頻率無關，只要是同源、有固定的相位關系，就是一組同步時鐘。不需要做異步時鐘處理，做跨時鐘域處理。

Jitter & Skew

時鐘抖動（Clock Jitter）：兩個時鐘周期之間存在的差值，這個誤差是在時鐘發生器內部產生的，和晶振或者PLL內部電路有關，使得時鐘周期在不同的周期上可能加長或縮短。

時鐘偏移（Clock Skew）：同一個信號到達兩個不同的寄存器之間的時間差值，Skew的定義就是時鐘最長路徑減去最短路徑的值。由于布線長度及負載不同引起。

區別：Jitter是在時鐘發生器內部產生的，和晶振或者PLL內部電路有關，布線對其沒有影響。Skew是由不同布線長度導致的不同路徑的時鐘上升沿到來的延時不同。

跨時鐘域

一個電路的launch時鐘和capture時鐘不是同一個時鐘，就是跨時鐘域。

兩個時鐘是同步時鐘就是同步時鐘域。

兩個時鐘是異步時鐘就是異步時鐘域。

亞穩態

觸發器無法在某個確定的時間段內達到一個可確認的狀態，帶來功能錯誤

如何處理亞穩態？

降低系統時鐘頻率

用速度更快的FF

引入同步機制，防止亞穩態傳播

改善時鐘質量，用邊沿快速變化的時鐘信號

亞穩態需要一段時間才能達到穩態，二級寄存器可以增加一個clock cycle的時間使亞穩態穩定。如果一個clock cycle后，亞穩態還未穩定，第二級輸出就還可能是亞穩態。

需要注意的是，兩級寄存器并不能完全隔離亞穩態，但可以極大的概率隔離了亞穩態發生的概率。

而且，亞穩態不是糾錯，如果產生亞穩態，那么采樣值可能是不正確的，兩級寄存器或多級寄存器級聯只是防止亞穩態在時序電路中傳播擴散。

根據MTBF Mean Time Between Failure 平均故障時間，推薦電路頻率500MHz以下用兩級觸發器，500MHz以上用三級觸發器。

編輯：黃飛