個人疑惑

在學習 “跨時鐘域的亞穩態的應對措施” 時，常會看到有三種解決方案：

單bit信號，用：打兩拍

多bit信號，用：異步FIFO

多bit信號，用：格雷碼

多bit信號，用：握手

記是記住了，但我有好幾個疑惑一直沒理解，網上沖浪卻搜不到答案、還是非常困惑…

以下是我的疑惑：

為什么用“打兩拍”來應對跨時鐘域的亞穩態，“打一拍” 不行嗎？

為什么說，用“打兩拍”只是降低了亞穩態的概率，但也有可能導致亞穩態的傳遞呢？

若后接了個FF，隨著posedge clk的出現，觸發器不應該直接就采到0或1了嗎，為啥亞穩態還有一定概率傳遞呢？

假設是DFF（D觸發器），其亞穩態穩定后的值，會恢復為正確的預期輸出值嗎？還是就算穩定了也是無效輸出？

即使 “打兩拍”能阻止“亞穩態的傳遞”，但亞穩態導致后續FF sample到的值依然不一定是符合預期的值，那 “錯誤的值” 難道不依然會向后傳遞，從而造成錯誤的后果嗎？

多bit的跨時鐘域情況用 異步FIFO處理，好理解；格雷碼有啥用嘞？

格雷碼可以讓相鄰二進制數變化只改變1位，但在多bit的data傳輸過程中，data value不都是隨機變化么，格雷碼有啥用嘞？

主要是前面關于打兩拍的疑惑，網上沖浪找不到解答的帖子。

網上只有兩個核心的回答，但對我這樣的數電小白，完全是沒有回答到我個人解惑的點子上，但解惑后再看，會有新的收獲：

打兩拍的目的：第一拍是異步信號轉同步，第二拍是防止亞穩態的傳遞。

我聽了還是很迷。(￣▽￣)"

打一拍和打兩拍和打三拍的區別：用觸發器進入亞穩態的平均故障時間間隔MTBF進行計算，證明打拍數增加，產生亞穩態的可能性遞減：打一拍直接用，很可能出現亞穩態輸出；打兩拍再直接用，出現亞穩態的概率是109年出現一次（具體計算參數見reference）；打三拍再直接俄用，出現的概率更低，但是除非超高頻率不然沒必要。

可見reference：跨時鐘域同步，為什么兩級寄存器結構能夠降低亞穩態？

那我個人疑惑呢，最后在外網 stack exchange 上解答了——這個老哥居然和我的疑問一毛一樣！實在是欣慰，久旱逢甘霖…(￣▽￣)"

Stack Exchange上的回答：How does 2-ff synchronizer ensure proper synchonization?

（不知為什么用firefox不顯示問題圖片，用chrome才顯示圖片…）

于是，我打算用自己的話，記錄一下它的問題與回答，也回答我個人的疑惑~

概念補充

什么是亞穩態 metastable state？

首先要闡述一下亞穩態的概念。

元器件在現實運行時，觸發器輸出的邏輯0/1需要時間跳變，而不是瞬發的。因此，若未滿足此cell的建立時間、保持時間，其輸出值則為中間態，那在logic上可能算成0也可能算成1很難講（波形顯示上可能是毛刺、振蕩、固定值等），這就是亞穩態。

一般波形圖像上，1是高電平，0是低電平；但微觀的亞穩態波形如下：

如圖所示：亞穩態的輸出波形會卡在中間，過一段時間后，可能穩定成1，也可能穩定成0，但都和原預期值沒啥關系了，是無效的！

單bit信號，應用“打兩拍”的電路結構圖

這張圖，給出了兩個點：

“打兩拍”后可以直接接組合邏輯電路。

我之前以為后面必接時序電路，相當于后面的電路也是觸發器，于是產生了：“把打兩拍改成打一拍，算上后面的時序電路，不也是相當于打兩拍嗎” 這樣的愚蠢困惑…(￣▽￣)"

下方的波形給了“打兩拍能大概率防止亞穩態傳遞”的圖示：

由于異步data變的太突然，第一拍sample后出現亞穩態，第三拍sample后把亞穩態堵住了，得到正常電平（但值不一定和原預期相同）。

解惑環節

綜上，可以解答我之前的3個疑惑了：

為什么用“打兩拍”來應對跨時鐘域的亞穩態，“打一拍” 不行嗎？

如打兩拍的電路結構圖所示：打一拍的話，若第一拍sample到亞穩態，則后續組合邏輯電路的輸入直接就是亞穩態波形，肯定會把亞穩態傳遞下去，就完犢子了。

為什么說，用“打兩拍”只是降低了亞穩態的概率，但也有可能導致亞穩態的傳遞呢？

如前面的兩張亞穩態的波形所示，亞穩態如果在1T內穩定成高電平或低電平了（概率80%），那第2拍就sample到正常的0或1；若亞穩態1T最后還是中間態，那第2拍還是可能出現亞穩態的，但概率低。

亞穩態穩定需要多久，具體時間由工藝決定。

假設是DFF（D觸發器），其亞穩態穩定后的值，會恢復為正確的預期輸出值嗎？還是就算穩定了也是無效輸出？

如前面的亞穩態微觀波形所說：即使亞穩態穩定了，值也無效。

剩下倆疑惑，大頭講。見下文。

打兩拍的sample到錯誤數據怎么辦

sample亞穩態，結果可能多樣

sample亞穩態，得到的結果可能取決于亞穩態最后穩定于什么狀態，如下圖表示出各種sample的可能：

如圖所示，adat是實際的異步data、bq1_dat是兩級觸發器中的第一個寄存器sample的數據、bq2_dat是第二個寄存器sanple到的數據，bclk是同步時鐘。

則：

a)中，異步data持續2T；FF1 sample到亞穩態時，FF2在下一cycle 對亞穩態的sample是0；但最終sample到了正確的data值。

b)中，異步data持續2T；FF1 sample到亞穩態時，FF2在下一cycle 對亞穩態的sample是1；但最終sample到了正確的data值。

c)中，異步data馬上結束，等價于只持續1T（相當于沒sample到就錯過了）；FF1 sample到亞穩態時，FF2在下一cycle 對亞穩態的sample是1；運氣好，最終sample到了正確的data值。

d)中，異步data馬上結束，等價于只持續1T；FF1 sample到亞穩態時，FF2在下一cycle 對亞穩態的sample是0；相當于最終錯過了data值，沒sample到…

那咋辦，豈不是說明“打兩拍”的方法不行？？？

答案:

因為 “打兩拍” 的目的，是為了在單bit傳輸時，盡可能的防止亞穩態的傳遞，至于這個sample的正確性，本來就不是重點。這種“sample的正確性如何保證”得根據信號的具體類型、目的、應用場景，來進行具體的討論。

Trigger Signals：一個脈沖信號，用來開機、啟動什么的。它沒什么數據信息量，早一個clk、晚一個clk都ok，反正能起作用就行。那上面這個問題就無所謂了。唯一要保證的是，原始異步脈沖信號至少保持2T！（保證打兩拍后，能sample到有效信號）

Control Buses：因為有多bit數據需要進行同步，關系比較復雜。那就不能用 “打兩拍” 的方法，得用 “握手機制“。

Data Buses：這種情況，非常在乎上面提到的正確性問題。所以就 更不應該用 ”打兩拍“方法，得用 異步FIFO的好吧… 在異步FIFO中的指針使用格雷碼，可以降低指針在跳變時出現的亞穩態風險、冒險現象。也就說，格雷碼和異步FIFO是結合使用的… (￣▽￣)"

總結

當你在乎跨時鐘域 “用打兩拍解決亞穩態，導致后續sample可能未sample到正確結果” 的case，那就不該用 “打兩拍” 的方案，可以考慮異步FIFO和握手機制！而格雷碼，和異步FIFO是聯合使用的。

“打兩拍”的方法，若應用于“從快速時鐘域同步到慢速時鐘域”，數據得多保持幾T，不然會漏采數據。

審核編輯 ：李倩