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跟着我从零开始入门FPGA(一周入门系列)第五

5、同步和异步设计

前面已有铺垫,同步就是与时钟同步。
同步就是走正步,一二一,该迈哪个脚就迈那个脚,跑的快的要等着跑的慢的。
异步就是搞赛跑,各显神通,尽最大力量去跑,谁跑得快,谁拿奖牌。

我们举个例子,SPI接口,他是一个低成本的单端的高速串行数据传输协议。
四个信号,nCS、SCK、MISO、MOSI

下面是一个Slave SPI的接口部分,简化了,

model mySPI(input nCS, input SCK, input MOSI, output MISO);
    reg[3:0]    bitcnt;
    reg[7:0]    shift_in;   //写入
    reg[7:0]    shift_out;  //读出

    reg[7:0]    data_wt;
    reg[7:0]    data_rd;

    always @(posdge SCK)
    if(nCS)
        bitcnt <= 0;
    else
    begin
        if(bit_cnt!=4'h7)
        begin
            bitcnt <= bitcnt+4'h1;
            shift_in <= {shift_in[6:0], MOSI};
            shift_out <= {shift_out[6:0], 0};
        end
        else
        begin
            bitcnt <= 4'h0;
            ...........
            data_wt <= deshift_in;
            shift_out <= data_rd;
        end
    end
endmodule

这段代码是同步的还是异步的?
其实,他远看是同步的,近看是异步的,仔细一看还是同步的。

大致一看,丫的还配时钟呢,按钟点走步,八成是同步的。
然后一想,不对啊,SPI的SCK是Master提供的,跟自家的全局时钟没有必然关系啊,异步的。
思索一阵,假如俺系统全局时钟都靠SCK不就是同步的了吗?

实际情况如何呢?
举个例子,SPI Flash,比如25系列,其实就是同步的,SCK就是全局时钟。

比如某ARM core的MCU内置SPI模块,为了简化问题,我们只谈Slave的情况,问题就来了。
ARM MCU肯定有其自家的时钟,SPI的Master又送来一个时钟,咋办呢?

当你发愁的时候,你该庆幸自己遇到了几乎所有入门的人都必须解决的问题----多时钟系统。

多时钟,各自都是同步,放在一起就是异步。
正如两队人马,都在走正步,共军走得快,国军走的更快,他们各自都是同步的,扯蛋到一块就是异步。
咋办呢?
丛林法则要起作用了,单一时钟同步化处理,势力小的听势力大的人安排。

model mySPI(input clk, input nCS, input SCK, input MOSI, output MISO);

    always @(clk)
    ...................................
endmodule

clk是自家的全局CLK信号,对方的SCK信号,只在自家CLK触发才看一眼对方的各个信号,包括SCK信号。
这就是强者的统战部,你家的可汗(SCK),见到我家皇帝(clk),也是称臣子。

当然,这个处理方法是有前提的,就是clk的频率要远远高于SCK信号。
所谓远远高于,就是即使我clk的上升沿,瞄你一眼,就不会漏掉你所有的表现。
根据XXXOOO定律,要达到采样不丢信息,尼玛的频率至少是人家的2倍,实际应用中一般保证4倍,或更高。
就好比有4个小弟的人,叫只有一个小弟的人,对自己称臣,听话大家就河蟹,不听就干你。

前面有朋友谈到了复位信号的同步化处理,最简单的就是复位和释放都同步处理,我前面几个帖子有用到。
复位,是什么,是杀头,复位释放是什么,是重新投胎。
你跟情敌斗志斗勇的时候,想到了制胜的一招时候,你觉得是立马去执行,还是等下一次例行见面时再执行。
当然是立马执行了,这不就是异步把情敌给复位了嘛。
你击败情敌之后,要对全班同学宣布的你胜利,是每天早会宣布呢,还是里面召集同学宣布呢?
此时大势已定,当然是按CLK四平八稳来得妥当,大家会认为你是一个做事不鲁莽,有步骤的,电工十佳青年。

所以,我们称之为,异步复位,同步释放。
always @ (posedge clk or negedge nRST)
    if (!nRST)
        击败情敌;
    else
        把击败情敌的战果宣布;
   

再举个例子,Memory的访问,为了简化,我们做个ROM,这样只有读的一种情况,适合理解记忆
model memory8(input[7:0] addr, output[7:0] dat)
    reg[7:0]    rom[255:0];
    assign dat = rom[addr];
endmodule

model memory8(input clk, input[7:0] addr, output[7:0] dat)
    reg[7:0]    rom[255:0];
    reg[7:0]    outbuf;

    assign dat = outbuf;
    always @(posedge clk)
        outbuf <= rom[addr];
endmodule

简单的是异步的,只要地址变化了,输出立马就表现。
我们实际使用的27系列的EPROM,61系列的异步SRAM,都是这样的,始终把OE信号置于有效即可。

复杂的就是同步的了,我不管你地址变了没,在CLK上升沿到来之前,我懒的理你。
异步的SRAM,刚查了下,也有61系列的; 看来不能以前缀来瞎子摸象了。

一般实际用的时候,异步SRAM肯定比同步的好用,同步的老要CLK,你是IO口模拟呢,还是怎么输出呢?
但同步的Memory也不是吃素的,吃的多必然长得壮,同步可以提高更高的传输速度。

该往回说了,为何同步电路可以提高更高的速度呢?

异步,就是赛跑,速度以跑得慢的人为准,团队精神嘛,这不能平均,只能搞木桶原理。
同步,就是大家按一个节奏,你慢的话,就用2个节奏完成,但必须按节奏。

这样负责协调的那个人,就是喊一二一的那个人(clk),可以把握全局的节奏来达到速度最大化。

所以一般FPGA里面都有全局时钟,强大的扇出能力,最小的传输延迟,因为他是老大,好资源他先挑的。
他就好比系统的原子铯钟,他很精确,我们每天跟他对一下时间,我们自家的表,就不会产生误差积累。

异步,2个队伍,各自有自家的老大,比如一个是地址线,一个是数据先,某个时刻,主控一抓。
可能地址线跑得快,数据线跑的慢,就会出现数据错位的情况,数字电路上叫竞争。
你作为运筹帷幄的总统,不能断定2个队伍能同事到达,你仍然用这个方法,你就是在冒险。

作为设计而言,应尽量避免竞争冒险。
如果系统简单,工期紧,速度要求低,逻辑简单,用异步的。
如果系统庞大,速度要求越高越好,逻辑交叉错节,坚决用同步的。
同步设计就是个工具,让智商90的人可以干智商120的人的工作。

Asynchronous 和 Synchronous 这两个单词我老是分不清
后来学软件学逻辑电路,给记住了,带A的要要冒尖的,是异步的

明天要讲的有限状态机,是以同步设计为基础的设计方式

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