典型跨时钟域（CDC）信号处理

本篇主要是针对单bit信号的分析，关于多bit数据的CDC处理可参考异步fifo异步FIFO常用知识总结-CSDN博客

1.异步复位，同步释放 

        原理：复位信号同其他信号一样也有建立时间和维持时间的时序要求，称之为移除时间和恢复时间。recovery time（恢复时间）描述的是非复位信号在时钟上升沿到来前需要保持的最小时间；removal time（移除时间）描述的是复位信号在上升沿到来之后需要保持的最小时间。

        由此可知，当复位信号不在时钟有效边沿变化时，可以保证电路的复位和恢复信号能被准确采样到。在实际设计中，有的模块先复位再给模块供应时钟，保证了复位信号与时钟错开，避免出现recovery 和removal违例的问题。

Q：为什么需要异步复位同步释放？

        异步复位信号可以直接作为管脚引出，节约资源，时延缩短。在对于复位精度有高要求的电路，异步复位信号往往是需要的。当异步复位信号释放（即撤销复位），则有可能发生在时钟边沿附近，容易使寄存器输出出现亚稳态，因此必须对释放信号进行打拍同步处理。

module syn(
input clk,
input rstn,
output syn_rstn
);
 
reg rstn_r,rstn_rr;  //寄存一拍和两拍
always@(posedge clk or negedge rstn)  begin
if(!rstn)  begin
    rstn_r<=0;
    rstn_rr<=0;
end
else  begin
    rstn_r<=rstn;
    rstn_rr<=rstn_r;
end
assign syn_rstn = rstn_rr;
 
endmodule

Q：为什么是打两拍？

        因为若出现亚稳态，打一拍过后仍然有输出亚稳态的风险，但在两拍过后，这种可能性非常低，也很少有需要打三拍的情况，因此打两拍处理是最常用的。

2.门控时钟

        在应用中，可能出现一段时间我们并不需要时钟，因此可以通过门控的方式将时钟信号置0，等待需要时再拉高，这能在很大程度上降低整体电路的功耗，节省资源。

        时钟出现斩断/毛刺的原因：在时钟的高电平期间使能信号拉低，造成了斩断，如果下级电路对毛刺敏感，比如异步复位，就会影响电路工作的稳定性、可靠性，严重时会导致整个数字系统的逻辑紊乱。因此我们需要保证使能信号的跳变出现在时钟的低电平范围内，同理，需要对时钟的使能信号进行同步处理。

        解决办法：加入下降沿敏感的触发器对使能信号同步。为什么是下降沿敏感呢？正如前面说的，我们要保证使能信号的跳变出现在时钟的低电平处，这样无论使能信号怎么变化，时钟的高电平处不会受到破坏。这样，电路的处理也很简单，在使能信号EN与clk相与之前，先让EN通过一个触发器同步到clk时域，再经过一个下降沿敏感的触发器后再和clk相与。这样就获得了一个尽可能消除亚稳态并且沿clk下降沿变化的EN信号，我们的门控时钟可靠性也得到了提高。

module steadyclk(
input clk,
input rstn,
input en,
output clko
);
 
reg en_r,en_rr;
 
always@(posedge clk or negedge rstn)
if(!rstn)
    begin
    en_r = 0;
    en_rr = 0;
    clko=0;
    end
else
    en_r = en;
end
 
always@(negedge clk or negedge rstn)
if(!rstn)
    begin
    en_rr = 0;
    clko = 0;
    end
else
    en_rr = en_r;
end
assign clko=clk&en_rr;
 
endmodule

Q：能不能第一个DFF也设计成下降沿敏感呢？

        可以，EN同步的关键在于第二个DFF一定要是下降沿敏感的，第一个DFF的作用是将EN先拉到clk时域，所以不管是上升沿还是下降沿都可以。

3.无毛刺时钟切换

        有了之前的分析后，无毛刺时钟切换的方法也跃然纸上：让选择信号SEL通过两个寄存器同步（其中后一个是下降沿敏感）后再与对应clk相与，对应电路如下：

        注意：clk0和clk1是不同频的信号，同步时我们至多只能让它同步到其中一个时钟域。并且因为同步打拍延时的引入，当时钟选择切换后，也不是马上跳转为高电平。

Q：为什么第二级DFF的Q非需要接入输入？

        Q非以负反馈的形式接回了输入，取与逻辑构建起clk0和clk1的关系，代表时钟切换前需要等一阵子，避免毛刺。