异步设计难题证答

pppaaa

--在每一次数据有效时，写指针增加
        --同时，数据写入ram.
wr_pointer_p: process(clk_wr)
begin
if( rising_edge(clk_wr))then
  if( valid='1') then
    wr_pointer<=gray_adv(wr_pointer);
  end if;
end if;
end process;
        --每一次输出有效时，读指针增加
        --同时，使用者应该将数据寄存.
rd_pointer_p:process(clk_rd)
begin
  if( rising_edge(clk_rd))then
  if( out_valid='1') then
   rd_pointer<=gray_adv(rd_pointer);
end if;
  end if;
end process;
        --产生out_valid
        --将写指针同步到读时钟
        --因为是gray code，同步的不会造成数据错误，
        --而仅仅产生最多2个读时钟的延迟
        --两级触发器是为了防止亚稳态。
process(clk_rd)
begin
  if( rising_edge(clk_rd))then
     wr_pointer_delay_1<=wr_pointer;
     wr_pointer_delay_2<=wr_pointer_delay_1;
  end if;
end process;
--这是相当直截了当的。
out_valid<= '1' when(wr_pointer_delay_2!=rd_pointer) else '0';
        现在分析一下，
        连续的写：这种情况下wr_pointer一直连续变化，可是，wr_pointer的任何一位
        都不会连续变化（至少有两位的情况），所以从读时钟看来，将会产生最多两个
        时钟的误差，一个由于特殊的时序产生。再加上另外一级的延迟，也就是最多三个时钟的
        延迟。最精确的表示应该是T_delay = T_setup+T_hold+2*T_rd。也就是说，
        最多需要 1 + T_delay/T_wr个缓冲就可以了。计算的时候，要向上取整，同时增加一个缓冲
        以便防止例如时钟抖动之类的信号问题。

老扁

谢谢pppaaa大侠的设计，有个问题再讨论一下：
gray码要完备编码的连续工作才能有效，也就是说buffer必须是2的倍数，所以如果4个buffer不够的话，就需要8个，这个问题怎么解决。所以在这个问题里由于必须只能用4个buffer，时序能不能可靠工作？俺要再验证一下。

老扁

这种其实已经不是fifo了，跟俺的设计有共通之处：
首先是2位gray码，必须用4个buffer；然后是clk1和clk2各维持一套顺序码，保证数据的采样顺序。
俺的设计里也用4个buffer，然后通过对Valid编码使clk2采样后能知道clk1的数据顺序。
所以基本思路是一样的，只不过一个是gray码，一个是one_hot编码。gray码的方案如果有效，最大的好处是对clk2的频率通用。我的方案最大的好处是buffer数不以2的幂增加。
俺要对两个方案都实现一下。
再次感谢pppaaa大侠的优秀思路。

pppaaa

不敢称大虾，不过时待业青年而已；）
想凭技术创业两次未成，准备找工作又拿不定注意，只好天天上论坛；）
你的思路我看了一下，可惜没有太搞清楚。
我想着里边有三个关键点，只要注意了，就有很多方法，这三个关键点是：
1. 异步输入亚稳态。
2. 无法用一个时钟采样一个频率比自己高（包括等于，还需要考虑建立保持时间） 的信号。
3. 在将一组信号从一个时钟传递到另外一个时钟的时候，需要考虑各个信号通路上的延迟不同以及信号上的毛刺这两个问题。
例如，考虑延迟：01->10，在一个异步时钟，看来，可能是，00,01,10,11。
考虑毛刺，00->00就有可能产生上面的四个结果。
这时突然想到一个通用问题，可以简单描述如下：
如何将一组状态从一个时钟域安全的转移到另外一个时钟域呢？这可是个头疼的问题。
昨晚想了一下，发现可能的依赖因素是： 状态的数目N，每一个状态可能转移到
多少M(i)个不同的状态。想来想去，也没有找到一个好的方法，希望斑竹有时间了
看看。如果有了通用的方案，可能就不再需要讨论gray码的冗余问题了；）

老扁

这是pppaaa的方案的时序图，目前看来没有问题；大家一起研究一下吧

pppaaa

这是用什么工具画的时序图？
gray code的冗余，不是一个问题，只要在使用的时候，把几个连续的编码当作一个编码使用就行了。

老扁

   

下面引用由pppaaa在 2005/07/21 03:50pm 发表的内容：
这是用什么工具画的时序图？
gray code的冗余，不是一个问题，只要在使用的时候，把几个连续的编码当作一个编码使用就行了。

用visio画的。
富裕的码你怎么来处理？比如俺用了5个码，下面要回到000码，怎么办？这样不就造成有的位有效周期只有1拍了？

pppaaa

o ,我一般用visio画框图，没有做过时序图。；）
gray code的冗余是这样子的
000 001 011 010  110 111 101 100
就收缩成：
000 001 011 010  110 000
这里边的关键是110到000的转变，
可能被同步成：  000,010 100,110
显然，只要把其中非法的码子当成其相邻的码子处理就可以了。你可以再用其他更多的编码做个实验。我觉得在原理上讲，是没有问题的，只不过不好表达出来。
我又一本<数字设计--原理和实践>的书，我一看那个圆盘就知道这样是可行的。

                                    

老扁

我感觉冗余时就是要找一组子集，使每位的变化不能少于两拍，保证能传过去；
比如5个有效码就找其中一个自己 000，001，011，110，100，回000；其它子集也可以。
然后在接收方可能要仔细处理，译出来如果是非法码就等待的话，不知道会不会造成大延迟。这点可能要仔细分析。
这种异步传输的编码值得研究 ：））

pppaaa

关于gray code冗余的思考带来了一个全新方案，这个方案将为异步时钟间的数据传输
提供一个普遍的解决方案。
问题是:数据从一个时钟wr_clk,其件数据有效用valid
来指示，怎样将数据传递到另外的一个时钟rd_clk域？这里不对时钟频率做任何假设。
这个问题有以下这么几个关键点：
1. 异步输入亚稳态。
2. 无法用一个时钟采样一个宽度小于一个周期（包括等于，还需要考虑建立保持时间） 的信号。
3. 在将一组信号从一个时钟传递到另外一个时钟的时候，需要考虑各个信号通路上的延迟不同以及信号上的毛刺这两个问题。
4. 必须保证数据的不能够丢失。
5.
解决方案：
  基本思想是首先将数据缓冲起来，然后挨个的读取数据。具体方法包括：
1。有一组缓冲区n个。n必须足够大，以便缓冲区不会溢出。
2。读写双方都维护一个指针，表示将要存取的缓冲区，这个指针在数据读写
   之后将增加1，并循环。
3。写方通过gray code将信息传递到读的一方，其gray code每写一个数据增加
   1，读方维护自己的gray code，每次读取数据之后增加1，并比较自己
   的gray code和写方的gray code ，如不相等，表示可以进行一次读取。
   并反复进行下去。
讨论 :
  1. 需要多少个缓冲区？这需要由数据有效频率和读取速度和延迟来确定。一般的
答案依赖于wr_clk的频率，rd_clk的频率，valid的模式，为了消除亚稳态和其他附加
的延迟。
  2.为什么需要采用gray code ？ 采用gray code是为了满足面的要求3。
  3.gray code需要多少位？ 一般的考虑上面的要求2。至少需要的位数将是保证
gray code 每一位的宽度可满足要求2的最小值。
  4.还有其他么？ 如果gray code的个数小于了缓冲区的个数（一些情况下发生），
可以简单的将gray code多一些位，来避免复杂的控制操作。
  5.在wr_clk频率大于rd_clk得时候情况如何？这个电路可以很好的工作，并代替原来的将valid信号接入触发器时钟端和异步复位的办法，并具有更简单的静态时序。
  6，还有其他么？如果这个方法属于原创的话，建议把它叫做 PPL方法，或者PPL电路。 PPL(皮皮鲁),是陪伴了我10年以上《童话大王》里的主人公。相信很多人都看过。