數(shù)字IC設(shè)計中異步FIFO的時序約束

使用異步FIFO同步源自不同時鐘域的數(shù)據(jù)是在數(shù)字IC設(shè)計中經(jīng)常使用的方法。在異步FIFO中，讀指針在讀時鐘域，寫指針在寫時鐘域，所以不能單獨運用一個計數(shù)器去產(chǎn)生空滿信號了。因此，須要將寫指針同步到讀時鐘域去產(chǎn)生空信號，將讀指針同步到寫時鐘域去產(chǎn)生滿信號。

對異步FIFO的讀、寫指針進行判斷，我們首先需要將其同步到統(tǒng)一的時鐘域下，而這就引發(fā)出了新的問題—-讀、寫指針在大多數(shù)情況下都不是個單bit信號，而是個多bit信號。如果讀、寫指針直接使用二進制的形式進行同步，則難以避免同步過程中會出現(xiàn)的多個bit信號同時變化的問題。如7（0111）跳轉(zhuǎn)到8（1000），此時有4個bit信號都發(fā)生了變化，如果直接同步，則由于不同信號之間的延遲（skew）差別，可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)、錯采、漏采等等問題。為解決因可能的skew問題造成的亞穩(wěn)態(tài)所以采用格雷碼異步FIFO，格雷碼每相鄰位之間只有一個比特的變化。FIFO的指針是遞增的，這使得在傳輸遞增的多bit信號時，格雷碼具有天然的優(yōu)勢。

下圖為常見格雷碼異步FIFO組成框圖，包含四個主要部分。FIFO寫控制端用于判斷是否可以寫入數(shù)據(jù)，讀控制端用于判斷是否可以讀取數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO Memory用于存儲數(shù)據(jù)，兩個時鐘同步模塊用于將讀寫時鐘進行同步處理。

下圖為時鐘同步模塊的組成示意圖。寫操作時，時鐘同步模塊先將寫地址指針轉(zhuǎn)換成格雷碼，然后通過兩級同步器（兩級同步在讀時鐘下進行），將寫地址指針同步到讀時鐘域下；讀操作時，時鐘同步模塊先將讀地址指針轉(zhuǎn)換成格雷碼，然后通過兩級同步器（兩級同步在寫時鐘下進行），將讀地址指針同步到寫時鐘域下。

格雷碼異步FIFO解決了跨時鐘的數(shù)據(jù)同步化問題，但如果不額外約束還可能存在其他兩個問題；一是格雷碼各比特位延時不一致,導(dǎo)致同步器采樣的地址不符合gray規(guī)律，導(dǎo)致FIFO功能異常；二是格雷碼到兩級同步器的延時太大，導(dǎo)致異步FIFO性能下降。

為了解決上述兩個問題，一般采用set_max_delay來對寫操作時from point（寫地址格雷碼轉(zhuǎn)換模塊中的最后一個寄存器的時鐘端口）到to point（兩級同步器的第一級寄存器的數(shù)據(jù)端口）的max delay進行約束；對讀操作時from point（讀地址格雷碼轉(zhuǎn)換模塊中的最后一個寄存器的時鐘端口）到to point（兩級同步器的第一級寄存器的數(shù)據(jù)端口）的max delay進行約束；延時可設(shè)置為讀寫時鐘中最快時鐘周期的一半，也可以設(shè)置成源端時鐘的一半。例如：

set_max_delay [expr 0.5*$period_fast_clk] -from [get_pins “XX/waddr_gray_reg/CP”] -to [get_pins “XX/synchronizer_2x_r1/D”]

為了解決上述兩個問題,還會使用set_clock_groups -asynchronous將所涉及的讀寫時鐘設(shè)置為異步時鐘群組。這種約束和false path的區(qū)別很大；false path會認為該path上的timing arc不用去分析時序、DRV（max trans、max cap 和max fanout 等）以及串擾噪聲情況，也就是說工具會認為false path上的時序和信號質(zhì)量對設(shè)計功能沒影響；set_clock_groups -asynchronous也不分析兩個時鐘域之間的交互的path上時序情況，但是會分析該path上的timing arc的DRV和串擾噪聲情況，保證信號質(zhì)量。例如：

set_clock_groups -asynchronous -group clock1 -group clock2