FPGA数据接口的同步方法是什么？

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FPGA数据接口的同步方法是什么？
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数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题，也是一个重点和难点，很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。在电路图设计阶段，一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟，从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。

* c2 r! B/ n/ a! M( B2 `还有一些工程师为了有稳定的采样，生成了很多相差 90 度的时钟信号，时而用正沿打一下数据，时而用负沿打一下数据，用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取，因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片 组的芯片上，采样实现必须重新设计。而且，这两种做法造成电路实现的余量不够，一旦外界条件变换 ( 比如温度升高 ) ，采样时序就有可能完全紊乱，造成电路瘫痪。

输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。
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4 f0 s4 j% D2 R设计数据接口同步是否需要添加约束？建议最好添加适当的约束，特别是对于高速设计，一定要对周期、建立、保持时间等添加相应的约束。这里附加约束的作用有两点：提高设计的工作频率，满足接口数据同步要求；获得正确的时序分析报告。

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输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？

对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。

4 x0 }% n+ l, B8 ^6 h! G8 x把数据存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下：将上级芯片提供的数据随路时钟作为写信号，将数据写入 RAM 或者 FIFO ，然后使用本级的采样时钟 ( 一般是数据处理的主时钟 ) 将数据读出来即可。这种做法的关键是数据写入 RAM 或者 FIFO 要可靠，如果使用同步 RAM 或者 FIFO ，就要求应该有一个与数据相对延迟关系固定的随路指示信号，这个信号可以是数据的有效指示，也可以是上级模块将数据打出来的时钟。对于慢速数据，也可以采 样异步 RAM 或者 FIFO ，但是不推荐这种做法。

数据是有固定格式安排的，很多重要信息在数据的起始位置，这种情况在通信系统中非常普遍。通讯系统中，很多数据是按照 “ 帧 ” 组织的。而由于整个系统对时钟要求很高，常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生与驱动。而数据又是有起始位置的，如何完成数据的同步，并发现数据的 “ 头 ” 呢？
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$ b5 k$ H0 I3 h, e$ Z; C4 f' w, S数据的同步方法完全可以采用上面的方法，采用同步指示信号，或者使用 RAM 、 FIFO 缓存一下。找到数据头的方法有两种，第一种很简单，随路传输一个数据起始位置的指示信号即可，对于有些系统，特别是异步系统，则常常在数据中插入一段同步 码 ( 比如训练序列 ) ，接收端通过状态机检测到同步码后就能发现数据的 “ 头 ” 了，这种做法叫做 “ 盲检测 ” 。
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上级数据和本级时钟是异步的，也就是说上级芯片或模块和本级芯片或模块的时钟是异步时钟域的。
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前面在输入数据同步化中已经简单介绍了一个原则：如果输入数据的节拍和本级芯片的处理时钟同频，可以直接用本级芯片的主时钟对输入数据寄存器采样， 完成输入数据的同步化；如果输入数据和本级芯片的处理时钟是异步的，特别是频率不匹配的时候，则只有用处理时钟对输入数据做两次寄存器采样，才能完成输入 数据的同步化。需要说明的是，用寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样，其作用是有效防止亚稳态 ( 数据状态不稳定 ) 的传播，使后级电路处理的数据都是有效电平。但是这种做法并不能保证两级寄存器采样后的数据是正确的电平，这种方式处理一般都会产生一定数量的错误电平数 据。所以仅仅适用于对少量错误不敏感的功能单元。
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为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，一般使用 RAM 、 FIFO 缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。最常用的缓存单元是 DPRAM ，在输入端口使用上级时钟写数据，在输出端口使用本级时钟读数据，这样就非常方便的完成了异步时钟域之间的数据交换。