多时钟域下片上网络同步研究

摘要

片上网络是一种新的片上互连结构。使用片上网络作为片上互连结构的微系统芯片称为片上网络系统。由于片上网络本身就是全局异步局部同步的，片上网络中存在多个时钟域，不同时钟域之间采用的是异步通信。数据在不同时钟域之间传输时，由于时钟频率的不同，势必会出现亚稳态等数据传输错误的问题。
　　本文主要针对多时钟域下的片上网络的数据同步进行了研究。首先对片上网络多时钟域的时钟网络分布情况进行了详细的分析，讨论了片上网络的域内时钟和域间时钟分布。
　　其次，针对在多时钟域下片上网络跨时钟域数据传输时的亚稳态问题进行了研究。着重讨论了数据同步的几种技术并进行了电路仿真，包括两级同步器，握手传输，格雷码传输以及异步FIFO同步等。两级同步器是最常用的同步方法，通过一系列的寄存器链来实现同步，可以消除跨时钟域数据传输中的大部分亚稳态；握手传输使用握手信号来进行数据传输，可以在有效避免亚稳态的同时正确获取数据；格雷码传输则是通过将二进制数据转换成格雷码数据，以确保在数据传输时不会有数据出现错误；异步FIFO同步通过异步FIFO存储器的存储，在两个不同时钟域之间进行数据缓冲传输，实现在两个异步时钟域之间快速而方便的传输实时数据。对以上几种多时钟域的数据同步方法，论文进行了仿真验证和相关对比，分析了几种同步方法的利弊。
　　再次，对需要进行数据同步的多时钟域下片上网络，单独研究了异步FIFO技术并进行了电路仿真。研究了异步FIFO的结构，主要包括双端口存储器，读地址逻辑，写地址逻辑，以及空满标志产生部分，以实现两个异步时钟之间数据的存储和缓冲传输。本文还对异步FIFO进行了改进，提出了一种新的异步FIFO结构，该结构有相对较少的逻辑门数量，可以在两个无关时钟域之间进行有效的数据传输。
　　本文重点对多时钟域的数据同步进行了研究，特别是异步FIFO的同步方法，针对异步FIFO的缺点，从理论上提出了一种逻辑门数量较少的异步FIFO结构。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作及结构安排

第二章 片上网络及其测试

2.1 片上网络结构

2.2 片上网络特点

2.3 多时钟域下片上网络测试

2.4 本章小结

第三章 片上网络的多时钟域研究

3.1 片上网络中的时钟域

3.2 混合时钟网络结构

3.3 多时钟域分布网络

3.4 本章小结

第四章 多时钟域下数据传输的同步研究

4.1 亚稳态特性

4.2 多时钟域数据传输的同步方法研究

4.3 多时钟域同步方法的对比仿真验证

4.4 本章小结

第五章 异步FIFO的多时钟域同步研究

5.1 异步FIFO电路结构研究

5.2 异步FIFO电路结构的改进与仿真分析

5.3 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果