2級同步器、翻轉同步、交握與非同步FIFO的差異：可傳遞的內容、傳輸速度、限制比較

適用於什麼情況

2級同步器

1位元的位準訊號，且保持時間比接收端週期長得多時。它是所有方法的基礎，時脈快或想進一步延長MTBF時改用3級。

翻轉同步

想把快速時脈域的短脈衝，不漏失地傳到較慢的時脈域時。僅限於到下一個脈衝之前，有接收端數個週期以上間隔的情況。

交握

想偶爾確實傳遞設定值這類多位元資料時。不論頻率比都很安全，但1次傳輸要花好幾個週期。

非同步FIFO

想連續或高頻率傳遞資料時。能吸收速度差與突發傳輸，但電路規模最大。

理解度檢測

1. 以交握進行時脈域間資料傳輸的缺點，何者正確？
2. 在非同步FIFO中，將寫入指標與讀取指標轉換為格雷碼後，再同步化到對方時脈域的理由何者正確？
3. 在寫入端 100 MHz、讀取端 80 MHz 的非同步FIFO中，寫入端以每個週期1字組的方式寫入100字組的突發，讀取端每個週期讀出1字組。突發之間有足夠的間隔。為了不溢位，所需的最小深度是多少（忽略同步化造成的延遲）？

前往時序分析與CDC的練習題

相關名詞的解說

同步器(Synchronizer)

將非同步訊號對齊到接收端時脈的電路。基本構成是將 2 級正反器串聯，提高第 1 級即使進入亞穩態，也能在下一個邊緣之前穩定下來的機率。

翻轉同步器(Toggle synchronizer)

在發送端每來一個脈衝就產生反轉的位準訊號並同步到接收端，接收端再將其與前 1 週期的值取 XOR 還原成脈衝的方式。比接收端週期短的脈衝也不會遺漏，但脈衝間隔須在接收端的數個週期以上。

交握(Handshake)

透過交換發送端的請求(req)與接收端的回應(ack)，確實傳遞資料的方式。在時脈域之間只同步 req 與 ack，期間資料保持不變，因此安全，但每次傳輸需要數個週期以上。

非同步 FIFO

寫入與讀取使用不同時脈的 FIFO，用於在時脈域之間傳遞多位元資料。將指標轉換為格雷碼後同步到對方的時脈域，以判定滿(full)與空(empty)。指標比位址多 1 位元，用以區分繞回。

時脈域

以相同時脈，或頻率與相位關係固定的時脈驅動的正反器集合。在彼此非同步的時脈域之間傳遞訊號時，需要同步器。

亞穩態

正反器未遵守設定時間或保持時間時，輸出在一段時間內既不是 0 也不是 1 而無法確定的狀態。對於非同步訊號，以兩級正反器同步化來因應。

格雷碼

相鄰的值之間只有 1 個位元改變的編碼。用於旋轉編碼器，以及在不同時脈之間傳遞計數值時防止讀取錯誤。

MTBF(平均故障間隔)

故障發生的平均間隔。在同步器中，指亞穩態未能穩定而傳到後級的平均間隔，以 MTBF = e^(t_r/τ) ÷ (T_0 × f_clk × f_data) 表示。增加級數以延長穩定所需的時間 t_r，會使其呈指數增長。

相關的比較

• 建立時間與保持時間的差異：定義、延遲、頻率、修正方式比較從定義、檢查所用的延遲（max 或 min）、與時脈頻率的關係、時脈偏斜的影響、違規的修正方式與要確認的角落等面向，以表格比較正反器的建立時間與保持時間。
• 同步重置與非同步重置的差異：時序、時脈、解除的注意事項比較從生效時機、是否需要時脈、抗突波能力、時序分析、重置解除時的同步化、面積與 Verilog 寫法等面向，以表格比較同步重置與非同步重置，並說明各自適合的電路。
• ASIC、FPGA、SoC 的差異：靈活性、成本、用途比較說明 ASIC、FPGA、SoC 各是什麼，並從靈活性、效能、前期費用與單價、開發期間與用途等面向，以表格比較。
• 2.5D與3D封裝的差異：晶片整合方式比較以結構、連接、頻寬、熱、複雜度、HBM與CoWoS等範例，以及使用時機等面向，用表格比較2.5D封裝與3D封裝。
• 混合鍵合與微凸塊的差異：間距、連接密度、平坦度比較從有無焊料、連接間距、連接密度、表面平坦度、製程、電氣特性與用途等面向，以表格比較用於晶片堆疊的混合鍵合與微凸塊。
• 扇入型與扇出型晶圓級封裝的差異：重佈線、面積、端子數、重構晶圓、用途比較從重佈線的範圍、封裝與晶片的面積、端子數、製造方法、翹曲等課題、成本與用途等面向，比較扇入型與扇出型晶圓級封裝。