2段同期化回路・トグル同期・ハンドシェイク・非同期FIFOの違い：渡せる信号・転送の速さ・制約を比較

どんなときに使うか

2段同期化回路

1ビットのレベル信号で、受け側の周期より十分長く保たれるとき。すべての方式の土台で、クロックが速いときやMTBFをさらに長くしたいときは3段にします。

トグル同期

速いドメインで出る短いパルスを、取りこぼさずに遅いドメインへ伝えたいとき。次のパルスまでに、受け側の数サイクル以上の間隔がある場合に限ります。

ハンドシェイク

設定値のようなマルチビットのデータを、ときどき確実に渡したいとき。周波数の比を問わず安全ですが、1回の転送に何サイクルもかかります。

非同期FIFO

データを連続して、または高い頻度で渡したいとき。速さの違いやバーストを吸収できますが、回路は最も大きくなります。

理解度チェック

1. ハンドシェイクによるクロックドメイン間のデータ転送の欠点として正しいものはどれか。
2. 非同期FIFOで、書き込みポインタと読み出しポインタをグレイコードに変換してから相手のドメインに同期化する理由として正しいものはどれか。
3. 書き込み側 100 MHz、読み出し側 80 MHz の非同期FIFOで、書き込み側は100語のバーストを毎サイクル1語ずつ書き込み、読み出し側は毎サイクル1語ずつ読み出す。バーストの間には十分な休みがある。あふれないために必要な最小の深さはいくらか(同期化による遅れは無視する)。

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関連する用語の解説

同期化回路

非同期の信号を受け側のクロックにそろえる回路で、シンクロナイザとも呼ぶ。2段のフリップフロップを直列につなぐ構成が基本で、1段目がメタステーブルになっても次のエッジまでに収まる確率を高める。

トグル同期

送り側でパルスが来るたびに反転するレベル信号をつくって受け側へ同期化し、受け側で1サイクル前の値とのXORをとってパルスに戻す方式。受け側の周期より短いパルスも取りこぼさないが、パルスの間隔は受け側の数サイクル以上あける必要がある。

ハンドシェイク

送り側の要求(req)と受け側の応答(ack)をやり取りして、データを確実に受け渡す方式。クロックドメインの間ではreqとackだけを同期化し、その間データを止めておくので安全だが、1回の転送に数サイクル以上かかる。

非同期FIFO

書き込みと読み出しを別々のクロックで行うFIFOで、クロックドメインの間でマルチビットのデータを渡すのに使う。ポインタをグレイコードに変換して相手のドメインに同期化し、満杯(full)と空(empty)を判定する。ポインタはアドレスより1ビット多くして周回を区別する。

クロックドメイン

同じクロック、または周波数と位相の関係が決まったクロックで動くフリップフロップの集まり。非同期の関係にあるクロックドメインの間で信号を渡すときは、同期化回路が必要になる。

メタステーブル

フリップフロップでセットアップ時間やホールド時間が守られないとき、出力がしばらく0とも1とも定まらない状態。非同期信号は2段のフリップフロップで同期化して対策する。

グレイコード

隣り合う値の間で1ビットだけが変化する符号。ロータリーエンコーダや、異なるクロック間でのカウンタ値の受け渡しで、読み取りの誤りを防ぐのに使われる。

MTBF(平均故障間隔)

故障が起きる平均の間隔。同期化回路では、メタステーブルが収まらずに後段へ伝わる平均の間隔を指し、MTBF = e^(t_r/τ) ÷ (T_0 × f_clk × f_data) で表される。段数を増やして収まるまでの時間t_rを延ばすと、指数関数的に長くなる。

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