クロックドメインとは

くろっくどめいん

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。

「クロックドメイン」は、1分野の7問の練習問題に出てきます(タイミング解析とCDCなど)。

この用語の分野: タイミング解析とCDC

クロックドメインの練習問題に挑戦

2つのクロックドメインの間の経路で、同期化回路が必要になるのはどれか。

  1. A同じPLLから作った 400 MHz のクロックと、それを2分周した 200 MHz のクロックどうし
  2. B同じクロックを、クロックツリーで2つの領域に分けて配ったクロックどうし
  3. C別々の発振器から作られ、周波数や位相の関係が決まっていないクロックどうし
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正解:C. 別々の発振器から作られ、周波数や位相の関係が決まっていないクロックどうし

同じ源から作られ、周波数の比と位相の関係が決まっているクロックどうしは同期クロックで、STAでセットアップとホールドを確認すれば通常の経路と同じように扱えます。別々の発振器のクロックは、どちらも 100 MHz と書かれていても実際にはわずかに周波数がずれていて、エッジの位置関係が時間とともに変わるので、いずれ必ずセットアップやホールドを満たせない瞬間が来ます。このような非同期のクロックの間はSTAでは保証できないので、同期化回路が必要です。

送り側のクロックドメインで、組み合わせ回路の出力を直接、受け側の同期化回路に入れてはいけない理由として正しいものはどれか。

  1. A組み合わせ回路の出力に出る一瞬のグリッチを、受け側が有効な値として取り込んでしまうおそれがあるから
  2. B組み合わせ回路の出力は電圧が低く、受け側のフリップフロップが反応しないから
  3. C組み合わせ回路の出力を取り込むと、必ずメタステーブルになるから
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正解:A. 組み合わせ回路の出力に出る一瞬のグリッチを、受け側が有効な値として取り込んでしまうおそれがあるから

同じクロックドメインの中なら、グリッチは次のクロックエッジまでに収まるので問題になりません。しかし非同期のクロックで取り込む場合は、いつエッジが来るかわからないため、0のはずの信号に一瞬だけ現れた1のパルスを取り込んでしまうことがあります。そこで、ドメインを渡る信号は送り側のフリップフロップの出力から直接出すのが原則です。メタステーブルは毎回起きるわけではなく、CDC検証ツールも同期化回路の手前の組み合わせ回路を警告します。

解説の中の「クロックドメイン」

「クロックドメイン」が出てくる問題(7問)

  1. 2つのクロックドメインの間の経路で、同期化回路が必要になるのはどれか。
  2. 送り側のクロックドメインで、組み合わせ回路の出力を直接、受け側の同期化回路に入れてはいけない理由として正しいものはどれか。
  3. 4ビットのデータの各ビットに、それぞれ2段の同期化回路を付けて別のクロックドメインに渡した。データが 0111 から 1000 に変わるときに起こりうる問題として正しいものはどれか。
  4. マルチビットのデータを、別のクロックドメインに安全に渡す方法として正しいものはどれか。
  5. 500 MHz のクロックドメインで1サイクル(2 ns)だけ1になるパルスを、100 MHz のドメインに2段同期化回路で渡した。起こりうる問題として正しいものはどれか。
  6. トグル同期でパルスを速いクロックドメインから遅いクロックドメインへ渡すときの制約として正しいものはどれか。
  7. 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。

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