最近是IC相關(guān)專業(yè)學(xué)生找工作的高峰期，大家可以在文章末尾或者知識星球留言討論筆試或者面試題哦。跨時鐘域的處理在面試中常常被問到，今天IC君就來聊一聊這個話題。

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跨時鐘域是如何產(chǎn)生的呢？現(xiàn)在的芯片（比如SOC，片上系統(tǒng)）集成度和復(fù)雜度越來越高，通常一顆芯片上會有許多不同的信號工作在不同的時鐘頻率下。比如SOC芯片中的CPU通常會工作在一個頻率上，總線信號（比如DRAM BUS）會工作在另一個時鐘頻率下，而普通的信號又會工作在另外的時鐘頻率下。這3個不同時鐘頻率下工作的信號往往需要相互溝通和傳遞信號。

不同時鐘域下的信號傳遞就涉及到跨時鐘域信號處理，因為相互之間的頻率、相位不一樣，如果不做處理或者處理不當，如下圖所示的時鐘域CLK_A的數(shù)據(jù)信號A可能無法滿足時鐘域CLK_B的setup/hold時間，可能導(dǎo)致：

1.數(shù)據(jù)丟失，無法采到預(yù)期中的信號；

2.亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。

從而導(dǎo)致某個電路模塊或者整顆IC無法工作。

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那么，常見的跨時鐘域信號處理方法都有哪些呢？有如下的三種：

兩級DFF同步器

握手協(xié)議

異步FIFO

最簡單的單比特信號處理通常采用兩級DFF串聯(lián)進行同步，如下圖所示：

從時鐘域A(CLKA)傳過來的信號a_in, 直接用時鐘域B CLKB采用很容易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，用兩級DFF 敲過后再使用就可以把亞穩(wěn)態(tài)概率降到一個合理的值。

很多人可能會問，為什么是兩級DFF呢？一級或者三級DFF行不行呢？這里有一個平均失效間隔時間MTBF(Mean Time Between Failure)的考慮。MTBF時間越長，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率就越小，但是也不能完全避免亞穩(wěn)態(tài)。注意采樣時鐘頻率越高，MTBF可能會迅速減小。

有文獻給出的數(shù)據(jù)：對于一個采樣頻率為200Mhz的系統(tǒng)，如果不做同步MTBF是2.5us，一級DFF同步的MTBF大概是23年，兩級DFF同步的大約MTBF大概是640年，MTBF越長出錯的概率越小。所以一級看上去不太穩(wěn)，二級差不多夠用了，至于三級可能會影響到系統(tǒng)的性能，而且增加面積，所以看上去沒什么必要。

兩級DFF同步器聽起來夠簡單的吧？這個方法雖然很簡單，但是很多人用起來還是常常會犯錯。

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錯誤1 ：時鐘域A的組合邏輯信號直接敲兩級DFF同步到時鐘域B

如下圖（1）所示雖然時鐘域A的邏輯信號c0 傳輸?shù)綍r鐘域B的時候，也用了兩級DFF 同步器，但我們知道組合邏輯電路各個輸入信號的不一致性以及組合邏輯內(nèi)部路徑的延時時間不一樣，運算后的信號存在毛刺如圖(2),而我們又無法預(yù)先知道CLKB 的上升沿何時會到來，CLKB 采樣到的信號就無法預(yù)知，這顯然不是我們想要的結(jié)果。

因此，要想CLKB 能采到穩(wěn)定的信號，時鐘域A的信號必須是經(jīng)過CLKA 敲過，在一個時鐘周期內(nèi)是穩(wěn)定的信號，如圖（3）所示:

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錯誤2 ：Clock-gating enable 信號沒有經(jīng)過異步處理

在下圖中a_in 信號經(jīng)過CLKA的DFF敲過，再送到兩級DFF 同步器處理，完全沒毛病。但是F2的使能信號EN是從時鐘域A來的，當EN信號變化的時候，由于時鐘域不一樣，無法保證使能之后的CLKB信號采樣數(shù)據(jù)時滿足setup/hold time 要求，這時F2輸出信號也就變得無法預(yù)測了。

兩級同步器處理單比特信號雖然比較簡單，但還是要注意它的使用方法，不要犯上面的錯誤哦。