【芯片設(shè)計(jì)】異步電路碎碎念（六）手撕打拍同步器

正序?yàn)g覽 · 發(fā)表于 2024-9-11 12:06:00

從這篇開始和知乎專欄里的文章順序有所差異，在專欄里第六到第十篇是關(guān)于異步隨機(jī)驗(yàn)證的內(nèi)容，而在推送里為了內(nèi)容的前后銜接就放到最后再說。在前面的文章里，我們熟悉了異步邏輯的處理方法：
【芯片設(shè)計(jì)】異步電路碎碎念（四）異步邏輯的處理方法
而后一個順理成章的事情就是練習(xí)寫寫代碼啦。再次匯總下之前提到的異步邏輯同步器結(jié)構(gòu)：
1.單比特電平打拍同步器；
2.單比特脈沖打拍同步器；
3.多比特?cái)?shù)據(jù)打拍同步器；
4.多比特電平使能DMUX同步器；
5.多比特脈沖使能握手同步器；
6.異步FIFO；
其中異步FIFO已經(jīng)在前面的專欄中詳細(xì)的寫過代碼了，因此就不在這里重復(fù)。這部分涉及到的代碼位于：
【芯片設(shè)計(jì)】FIFO漫談（七）異步FIFO從格雷碼說起
單比特電平打拍同步器單比特打拍同步器的代碼很簡單，不過其中有兩點(diǎn)需要注意：
1.可配置性，主要包括打拍級數(shù)和在源時鐘域是否需要打拍后輸出；
2.專用同步打拍寄存器，實(shí)際交付的工程中同步器中的打拍寄存器可能會例化專用的模塊，這是避免被工具優(yōu)化或者做multi-bit，以及在設(shè)置sdc/cdc時方便統(tǒng)一匹配。

不過因?yàn)槲覀冎皇鞘炙捍a練習(xí)，就不考慮專用打拍寄存器的事了。那么基于上述，手撕代碼如下：
module async_1bit_delay #(
  parameter DL = 2,
  parameter FF = 1
)( /*AUTOARG*/
// Inputs
i_clk, i_rst_n, i_data, o_clk, o_rst_n, o_data
);
// ----------------------------------------------------------------
// Interface declare
// ----------------------------------------------------------------
input  i_clk;
input  i_rst_n;
input  i_data;
input  o_clk;
input  o_rst_n;
output o_data;
// ----------------------------------------------------------------
// i_clk pipe
// ----------------------------------------------------------------
wire i_data_in;
generate
  if(FF == 0)begin: NO_IN_DFF
assign i_data_in = i_data;
  end //if(FF == 0)begin: NO_IN_DFF
  else begin: IN_DFF
reg i_data_ff;
always @(posedge i_clk or negedge i_rst_n) begin
   if(!i_rst_n)
      i_data_ff endgenerate

// ----------------------------------------------------------------
// o_clk pipe
// ----------------------------------------------------------------
reg [DL -1:0]o_data_ff;
integer i;
always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
  if(!o_rst_n) begin
o_data_ff 代碼比較簡單所以就不仿真了，反正后面還會反復(fù)調(diào)用這個模塊的。
單比特脈沖打拍同步器
單比特脈沖打拍，核心的功能點(diǎn)就是脈沖展寬，一般需要覆蓋接收域兩拍時鐘（或者三沿原則）。

所以就把時鐘展寬的代碼寫一寫好啦，下面是一種相對比較簡單的脈沖拓展方式：
module async_pulse_widen #(
  parameter TIMES = 2
)( /*AUTOARG*/
// Outputs
o_data,
// Inputs
clk, rst_n, i_data
);
// ----------------------------------------------------------------
// Interface declare
// ----------------------------------------------------------------
input  clk;
input  rst_n;
input  i_data;
output o_data;
// ----------------------------------------------------------------
// Wire declare
// ----------------------------------------------------------------
localparam TIMES_W = 8;
// ----------------------------------------------------------------
// AUTO declare
// ----------------------------------------------------------------
/*AUTOOUTPUT*/
/*AUTOINPUT*/
/*AUTOWIRE*/
reg  [TIMES_W -1:0]widen_cnt;
wire [TIMES_W -1:0]widen_cnt_d;
wire             widen_cnt_en;
assign widen_cnt_en = (i_data && widen_cnt == {TIMES_W{1'b0}}) ||
                  (widen_cnt == TIMES) ||
                  (widen_cnt != {TIMES_W{1'b0}}) ;
assign widen_cnt_d  = (i_data && widen_cnt == {TIMES_W{1'b0}}) ? widen_cnt + 1'b1 :
                  (widen_cnt == TIMES)                ? 1'b0 :
                                                            widen_cnt + 1'b1;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(!rst_n) begin
widen_cnt 這里面的TIMES就是要展寬的倍數(shù)，這個代碼的展寬結(jié)果輸出是在脈沖使能的下一拍開始的，如展寬5倍：

同時如果在展寬過程中有下一個脈沖到達(dá)，那么是不響應(yīng)的：

多比特?cái)?shù)據(jù)打拍同步器如果多比特?cái)?shù)據(jù)沒有使能信號，也就是說不關(guān)心正確數(shù)值同步過去的時間，只要同步過去就行，或者格雷碼跨異步這種場景，那么可以選擇多比特?cái)?shù)據(jù)打拍同步器。多比特?cái)?shù)據(jù)打拍同步器只需要例化若干單比特打拍同步器就可以了：
module async_nbit_delay #(
  parameter DL = 2,
  parameter WD = 1,
  parameter FF = 1
)( /*AUTOARG*/
// Outputs
o_data,
// Inputs
i_clk, i_rst_n, i_data, o_clk, o_rst_n
);
// ----------------------------------------------------------------
// Interface declare
// ----------------------------------------------------------------
input       i_clk;
input       i_rst_n;
input [WD -1:0]i_data;
input       o_clk;
input       o_rst_n;
output[WD -1:0]o_data;
genvar i;
generate
  for(i=0; i

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