高速數(shù)字電路模塊通常以 同步 (synchronous)電路的形式實現(xiàn)，它們由一個或者多個時鐘驅(qū)動（觸發(fā)）。對于 單一時鐘（域） 的同步電路而言，只要輸入和時鐘的關(guān)系滿足 建立(setup)時間 、保持(hold)時間的時序關(guān)系，電路的輸出（布爾值）就是可預(yù)測的，這是數(shù)字邏輯電路設(shè)計的基礎(chǔ)。如果 不能滿足建立保持時間 ，我們認為輸入是 異步 (asynchronous) 信號 。一個時鐘域的同步信號輸出到另一個時鐘域通常被認為是異步信號。

本文從同步電路的時序模型出發(fā)，探討了兩種時鐘同步的總線電路方案：

• 共同時鐘 (common clock)總線
• 源同步 (source synchronous)總線

共同時鐘總線的收發(fā)端使用同一時鐘，結(jié)構(gòu)簡單，由于物理限制和PVT效應(yīng)，局限于時鐘速率比較低的應(yīng)用；源同步總線增加 接口時鐘 ，并以 與數(shù)據(jù)相同的方式發(fā)送 ，大大提升了接口時鐘速率，由于引入了 不同的時鐘域 ，也增加了接口設(shè)計的復(fù)雜程度。

1. 時鐘同步電路的時序模型

<圖1>

寄存器A在時鐘(launch clock)的上升沿打出數(shù)據(jù)，經(jīng)過兩段飛行時間（傳輸延時）和組合邏輯電路延時之后，在下一個時鐘沿（capture clock）被寄存器B抓取，這里假設(shè)A、B的時鐘完全相同 - 頻率相同相位相同。在兩個時鐘上升沿之間，按照時間順序，發(fā)生了下列事件：

寄存器A打出輸出（QA）。QA在上升沿之后一段時間才能有效（valid），這個時間是tco（clock to output）；

傳輸延時tflight1，組合邏輯電路引起的延時tlogic，傳輸延時tflight2；

寄存器B抓取輸入。輸入在時鐘上升沿之前必須提前穩(wěn)定（建立時間tsetup），在時鐘上升沿之后保持一段時間（保持時間thold）。假如不滿足建立、保持時間的要求，那么B的輸出可能會非0非1的亞穩(wěn)態(tài)(Metastability)。

<圖2>

把這些事件銜接在一起，形成了時序預(yù)算（timing budget）分配圖。注意，‘X’表示不確定區(qū)間，通常是由PVT(制程電壓溫度)效應(yīng)引起的偏差。

tsetup_margin = Period - tco(max)- tflight1 - tlogic(max) - tflight2 - tsetup

thold_margin = tco(min) + tflight1 + tlogic(min) + tflight2 - thold

tsetup_margin和thold_margin為 時序裕量 (margin)，它**>=0代表滿足建立保持時間**要求。

2. 共同時鐘（common clock）系統(tǒng)總線

共同時鐘系統(tǒng)其實可以借用<圖1>，只需要把寄存器換成芯片（系統(tǒng)）。

共同時鐘系統(tǒng)只有一個時鐘（域），無論發(fā)送端還是接收端。

回到時序計算公式，要使tsetup_margin >=0，可以得到：

Period >= tco（max） + tflight1 + tlogic(max) + tflight2 + tsetup

右邊這些參數(shù)代表了真實的物理局限，它們決定了時鐘可以跑多快（時鐘周期最小是多少）。

tflight1、tflight2來自于PCB走線，連接器，芯片封裝等等。

tco、tsetup、tlogic代表芯片的 物理特性參數(shù) 。不同的芯片在不同的溫度/電壓下由于PVT效應(yīng)表現(xiàn)會有變化，形成了時序圖上的 不確定區(qū)間 。我們必須計算最惡劣（worst case）的情況，這會吃掉時序裕量。

而且，我們也做不到理想的單一同步時鐘。出于信號質(zhì)量的考量，時鐘信號通常是點對點（point to point）的連接。不同模塊的時鐘，通常是連接同一個時鐘buffer的不同扇出(fanout)。在工程實踐上，理想的同步很難做到，只能把相位偏差（skew）控制在一定范圍內(nèi)。

所有這些，都限制了時鐘速度或者數(shù)據(jù)吞吐量的提升，而優(yōu)化參數(shù)常常意味著成本的抬升。老戚看到的共同時鐘系統(tǒng)的時鐘沒有超過100MHz的。實現(xiàn)更高速總線的解決辦法是源同步時鐘方案。

3. 源同步（source synchronous）系統(tǒng)

源同步在芯片（系統(tǒng)）接口上 同時輸出數(shù)據(jù)和（接口）時鐘 ，數(shù)據(jù)和時鐘采用完全相同的IO結(jié)構(gòu)，從而最大程度的抵消tco，tflight等等。通常認為，同一個芯片上的PVT效應(yīng)也是一致的。

<圖3>

<圖3>是典型的中心對齊（center aligned）的源同步DDR輸出。內(nèi)部PLL的輸出兩路相位相差90度的時鐘，經(jīng)過同等的傳輸延時，到達接收端的時候，時鐘剛好處在數(shù)據(jù)的中心（假定接收端建立保持時間的要求也是對等的）。接收端使用接口時鐘clock_out抓取數(shù)據(jù)data_out，緊接著把數(shù)據(jù)同步到本地時鐘。 接口時鐘和本地時鐘并不一致 ，屬于 不同的時鐘域 。

現(xiàn)有的高速并行接口無一例外都是源同步，最典型的當(dāng)然是內(nèi)存接口。以DDR4為例，地址/命令/片選信號和主時鐘形成了一組源同步總線，內(nèi)存數(shù)據(jù)DQ每8位就會有一個DQS信號作為接口時鐘，形成源同步的數(shù)據(jù)時鐘總線。在接收端，數(shù)據(jù)會先被抓取到相應(yīng)DQS的時鐘域，然后同步到主時鐘。

源同步很好的解決了接口總線的速度問題，卻也引入了不同的時鐘域， 增加了收發(fā)接口設(shè)計的復(fù)雜度 。

4. 跨時鐘域（clock domain crossing）

實現(xiàn)跨時鐘域的信號傳遞要回到時鐘域C0的輸出到時鐘域C1的輸入的建立保持時間的基本問題。

假如時鐘C0/C1 同源 （不同頻，例如分頻/倍頻關(guān)系）而且相位差固定的 可以直接用本地時鐘抓取 ；同頻（源）但是不知道相位關(guān)系不確定的可以以FIFO的方式解決；有頻差的也可以用 FIFO解決 ，但要防止溢出（overrun，underrun）。

還是以DDR4內(nèi)存接口為例，假設(shè)主時鐘是1600MHz，那么DQS則是倍頻 --- 3200MHz。由于時鐘（包括地址/命令/片選）信號的fly-by拓撲，時鐘到達不同內(nèi)存顆粒存在先后順序。對于寫操作（write），控制器通過write leveling偵測到未經(jīng)調(diào)整的DQS和主時鐘的相位關(guān)系，相應(yīng)的調(diào)整輸出DQS的相位，保證內(nèi)存顆粒接收的DQS和主時鐘保持 特定的相位關(guān)系 ，從而在顆粒內(nèi)部能夠以最簡單的方式（同時延時latency最小）完成跨時鐘域。對于讀操作，似乎有read leveling來實現(xiàn)相似的功能（這方面資料不詳）。有趣的是，在DDR4內(nèi)存接口，控制器（通常邏輯更為復(fù)雜）承擔(dān)了所有時序調(diào)整的責(zé)任，內(nèi)存（存儲廠商的邏輯設(shè)計能力要差一些）接口則以最簡化的方式工作。

在以太網(wǎng)領(lǐng)域，處理跨時鐘域更常用的方法是FIFO(First In First Out)。FIFO不僅能夠處理同頻時鐘的跨時鐘域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也能處理不同頻率（有限頻差）的跨時鐘域處理，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。PCIe協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議都運用基于FIFO的 彈性緩沖 （elastic buffer）來處理系統(tǒng)時鐘的PPM偏差問題。