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【IC_Design】跨时钟域的寄存器更新后锁存

news 来源：原创 2025/5/23 6:20:31

设计逻辑框图

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场景概述

最典型的应用场景就是——在一个时钟域（比如 CPU/总线域）更新了一个多位配置字，需要把它安全地送到另一个时钟域（比如时钟发生器、串口、视频／以太网 MAC 等域）并原子性地应用。下面举几个具体例子说明：

UART 波特率预分频器（baud‐rate prescaler）

场景：CPU 通过 APB/APB3 总线写入一个 8～16bit 的波特率分频值 Prescale，UART 收发逻辑在它自己的时钟域里工作。
问题：写寄存器和串口时钟域不同步，直接并行送入会出现中间态，导致波特率跑飞或抖动。
解决：用上面这套逻辑
CPU 域计算 clk_div_load = |(new_prescale ^ cur_prescale)
同步到 UART 时钟域，生成一拍脉冲 clk_chg_done
UART 时钟域在 clk_chg_done 那一拍将 cur_prescale <= new_prescale
效果：保证 Prescaler 在一个确定时刻“原子”更新，无抖动。

动态时钟发生器／PLL 分频器重配置

场景：FPGA 内的时钟管理单元（MMCM/PLL）允许在运行时修改输出分频比或相位偏移，控制逻辑在系统主时钟域。
问题：PLL 配置寄存器在专用域，修改要安全地“拍入”到 PLL 核心电路时钟域。
方案：正好套用上述跨域更新逻辑，避免在分频器内部出现瞬态分频比或相位错误。

异步 FIFO 的读／写指针同步

场景：在高-速串行收发或多通道数据流里，读指针在读时钟域更新，写指针在写时钟域更新。需要把它们互相传递来判断“空/满”状态。
经典做法：Gray code + 双级同步器，但 Gray code 只是单个位走变；如果是多位二进制指针，也可以先做“位翻转检测”（XOR+OR）、单比特同步+上升沿脉冲，让目标域在脉冲来时整并新的写地址。

动态电压／频率调度（DVFS）寄存器

CPU 或电源管理 IC 在一个域写入目标频率、分频或电压等级字段，而真正的调度逻辑在另一个“电源管理时钟”域。
同样需要一整套安全的跨时钟域更新流程。

总结

这套逻辑最大的特点是：

对多位并行配置字用 X ^ Y + “或归约” 检测任何位变化；
再用两级（或 N 级）同步链 + 上升沿检测，生成单时钟脉冲；
由脉冲驱动目标域寄存器原子更新。
它既能避免位间瞬态，又能自动清除“load”标志，常见于各类需要运行时动态重配置、跨时钟域的控制／配置场景。

电路使用注意事项***

但需要注意的是，这个电路整个的执行流程需要消耗5~6（不包含）个时钟周期，即要求clk_div_reg输入寄存器不能变化太快。

如果clk_div_reg输入寄存器在寄存器完成锁存后3个时钟周期内，再次变化值会引起(clk_chg_load)强迫拉高，而此时语句clk_chg_done = (~clk_div_load_sync_reg) & clk_div_load_sync;尚未完成上一次电路的同步（还在清“1→0”的过程中）
所以此时clk_div_load_sync_reg=1、clk_div_load_sync=1同时clk_div_load=1，此时下一个clk_chg_done永远不会出现，继而不会完成下一次的寄存器更新。

波形图

在这里插入图片描述

代码

//-----------------------------------------
//PLL 分频器值配置为例
//-----------------------------------------
module safe_divider_update #(parameter DIV_WIDTH             = 8,
)(input  wire                     clk,                // 时钟input  wire                     rst_x,              // 异步低有效复位input  wire [DIV_WIDTH-1:0]     clk_div_mux_out,    // 新分频比output reg  [DIV_WIDTH-1:0]     clk_div_reg         // 生效分频比
);//-----------------------------------------
// 1. 分频值变化检测 → 异步单周期脉冲 clk_div_load
//-----------------------------------------
wire                  clk_div_load;
assign clk_div_load = |(clk_div_mux_out ^ clk_div_reg);//-----------------------------------------
// 2. 脉冲同步 & 滤除 → 同步后的单周期脉冲 clk_div_load_sync
//    两级寄存器同步，基本去毛刺/短脉冲逻辑可在此扩展
//-----------------------------------------
reg                   sync_ff1;
reg                   sync_ff2;
wire                  clk_div_load_sync;always @(posedge clk or negedge rst_x) beginif (!rst_x) beginsync_ff1 <= 1'b0;sync_ff2 <= 1'b0;end else beginsync_ff1 <= clk_div_load;sync_ff2 <= sync_ff1;end
endassign clk_div_load_sync = sync_ff2;//-----------------------------------------
// 3. 上升沿检测 → 生成加载完成信号 clk_chg_done
//-----------------------------------------
reg                   clk_div_load_sync_reg;
wire                  clk_chg_done;always @(posedge clk or negedge rst_x) beginif (!rst_x)clk_div_load_sync_reg <= 1'b0;elseclk_div_load_sync_reg <= clk_div_load_sync;
endassign clk_chg_done = (~clk_div_load_sync_reg) & clk_div_load_sync;//-----------------------------------------
// 4. 分频比锁存
//    在 clk_chg_done 上升沿时更新；复位时设为全1
//-----------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_x) beginif (!rst_x)clk_div_reg <= {DIV_WIDTH{1'b1}};else if (clk_chg_done)clk_div_reg <= clk_div_mux_out;
endendmodule