什麼是同步器(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。

日文名稱: 同期化回路

「同步器(Synchronizer)」出現在1領域的12道練習題中(時序分析與CDC等)。

二級正反器同步電路 發送端時脈域 接收端時脈域 發送端FF FF1 FF2 非同步 直接相連 同步後的輸出 發送端時脈 接收端時脈 可能變為不定 接收端時脈 FF1的輸出 不定 FF2的輸出 約1個週期 即使第1級不定,只要在下一個邊緣前穩定,FF2就會得到正確值
二級正反器同步電路 · 在圖解集中查看

這個名詞所屬的領域: 時序分析與CDC

練習同步器(Synchronizer)的題目

在兩個時脈域之間的路徑中,需要同步器的是哪一種?

  1. A由同一PLL產生的 400 MHz 時脈,與將其二除頻後的 200 MHz 時脈之間
  2. B將同一時脈以時脈樹分送到兩個區域的時脈之間
  3. C由不同振盪器產生、頻率與相位關係不固定的時脈之間
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正確答案:C. 由不同振盪器產生、頻率與相位關係不固定的時脈之間

由同一來源產生、頻率比與相位關係固定的時脈之間為同步時脈,只要以STA確認建立時間與保持時間,就能與一般路徑同樣處理。不同振盪器的時脈即使都標示為 100 MHz,實際上頻率也有些微差異,邊緣的位置關係會隨時間改變,因此遲早一定會出現無法滿足建立時間或保持時間的瞬間。這類非同步時脈之間無法以STA保證,因此需要同步器。

將2級正反器的同步器增加為3級時,因亞穩態造成之故障的平均間隔(MTBF)如何變化,下列何者正確?

  1. A亞穩態穩定下來可用的時間約增加1個週期,MTBF呈指數性延長
  2. B與級數成正比,MTBF變為1.5倍
  3. C亞穩態發生的難易度由輸入端決定,因此MTBF不變
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正確答案:A. 亞穩態穩定下來可用的時間約增加1個週期,MTBF呈指數性延長

同步器的MTBF大致可表示為 MTBF = e^(t_r/τ) ÷ (T_0 × f_clk × f_data)。t_r 是亞穩態穩定下來可用的時間,τ 與 T_0 是由正反器特性決定的常數。每增加1級,t_r 約延長1個週期。例如 τ = 20 ps 時,若 t_r 增加 1 ns,MTBF會延長為 e^50 倍,也就是10的21次方倍以上。第1級成為亞穩態的機率不變,但在傳到下一級之前穩定下來的機率會大幅提高。

解析中的「同步器(Synchronizer)」

出現「同步器(Synchronizer)」的題目(12題)

  1. 在兩個時脈域之間的路徑中,需要同步器的是哪一種?
  2. 將2級正反器的同步器增加為3級時,因亞穩態造成之故障的平均間隔(MTBF)如何變化,下列何者正確?
  3. 提高同步器接收端的時脈頻率,MTBF就會縮短。其理由何者正確?
  4. 關於2級正反器同步器的第1級與第2級之間,下列注意事項何者正確?
  5. 不可將發送端時脈域中組合電路的輸出直接送入接收端同步器的理由,何者正確?
  6. 對4位元資料的各位元分別加上2級同步器,傳到另一個時脈域。當資料從 0111 變為 1000 時,可能發生的問題何者正確?
  7. 將在 500 MHz 時脈域中只有1個週期(2 ns)為1的脈衝,以2級同步器傳到 100 MHz 時脈域。可能發生的問題何者正確?
  8. 為了以同步器將位準訊號確實從 400 MHz 時脈域傳到 100 MHz 時脈域,希望訊號寬度達到接收端時脈週期的1.5倍以上。以發送端的時脈計算,最少應為幾個週期的寬度?
  9. 將來自同一發送端時脈域的2條控制訊號,分別以不同的2級同步器接收,並在接收端做AND後使用。此設計的問題點何者正確?
  10. 在使用req與ack的4相交握中,傳遞1筆資料時訊號的順序何者正確?
  11. 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?
  12. 即使已進行STA與RTL模擬,仍需要以CDC驗證工具確認的理由,何者正確?

相關名詞

時脈域 亞穩態 正反器 MTBF(平均故障間隔) 組合電路 格雷碼 交握(Handshake) STA(靜態時序分析) 保持時間 突波(Glitch)

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