跟着我从零开始入门FPGA（一周入门XXOO系列）-5、同步和异步设计

（本连载共七部分，这是第五部分）

作者：McuPlayer2013   （EETOP FPGA版块版主） 原帖地址：http://bbs.eetop.cn/thread-385362-1-1.html）

以下是正文：

5、同步和异步设计

前面已有铺垫，同步就是与时钟同步。
同步就是走正步，一二一，该迈哪个脚就迈那个脚，跑的快的要等着跑的慢的。
异步就是搞赛跑，各显神通，尽最大力量去跑，谁跑得快，谁拿奖牌。

我们举个例子，SPI接口,他是一个低成本的单端的高速串行数据传输协议。
四个信号，nCS、SCK、MISO、MOSI

下面是一个Slave SPI的接口部分，简化了，

model mySPI(input nCS, input SCK, input MOSI, output MISO);
    reg[3:0]    bitcnt;
    reg[7:0]    shift_in;   //写入
    reg[7:0]    shift_out;  //读出

    reg[7:0]    data_wt;
    reg[7:0]    data_rd;

    always @(posdge SCK)
    if(nCS)
        bitcnt <= 0;
    else
    begin
        if(bit_cnt!=4'h7)
        begin
            bitcnt <= bitcnt+4'h1;
            shift_in <= {shift_in[6:0], MOSI};
            shift_out <= {shift_out[6:0], 0};
        end
        else
        begin
            bitcnt <= 4'h0;
            ...........
            data_wt <= deshift_in;
            shift_out <= data_rd;
        end
    end
endmodule

这段代码是同步的还是异步的?
其实，他远看是同步的，近看是异步的，仔细一看还是同步的。

大致一看，丫的还配时钟呢，按钟点走步，八成是同步的。
然后一想，不对啊，SPI的SCK是Master提供的，跟自家的全局时钟没有必然关系啊，异步的。
思索一阵，假如俺系统全局时钟都靠SCK不就是同步的了吗？

实际情况如何呢？
举个例子，SPI Flash，比如25系列，其实就是同步的，SCK就是全局时钟。

比如某ARM core的MCU内置SPI模块，为了简化问题，我们只谈Slave的情况，问题就来了。
ARM MCU肯定有其自家的时钟，SPI的Master又送来一个时钟，咋办呢？

当你发愁的时候，你该庆幸自己遇到了几乎所有入门的人都必须解决的问题----多时钟系统。

多时钟，各自都是同步，放在一起就是异步。
正如两队人马，都在走正步，共军走得快，国军走的更快，他们各自都是同步的，扯蛋到一块就是异步。
咋办呢？
丛林法则要起作用了，单一时钟同步化处理，势力小的听势力大的人安排。

model mySPI(input clk, input nCS, input SCK, input MOSI, output MISO);

    always @(clk)
    ...................................
endmodule

clk是自家的全局CLK信号，对方的SCK信号，只在自家CLK触发才看一眼对方的各个信号，包括SCK信号。
这就是强者的统战部，你家的可汗(SCK)，见到我家皇帝(clk)，也是称臣子。

当然，这个处理方法是有前提的，就是clk的频率要远远高于SCK信号。
所谓远远高于，就是即使我clk的上升沿，瞄你一眼，就不会漏掉你所有的表现。
根据XXXOOO定律，要达到采样不丢信息，尼玛的频率至少是人家的2倍，实际应用中一般保证4倍，或更高。
就好比有4个小弟的人，叫只有一个小弟的人，对自己称臣，听话大家就河蟹，不听就干你。

前面有朋友谈到了复位信号的同步化处理，最简单的就是复位和释放都同步处理，我前面几个帖子有用到。
复位，是什么，是杀头，复位释放是什么，是重新投胎。
你跟情敌斗志斗勇的时候，想到了制胜的一招时候，你觉得是立马去执行，还是等下一次例行见面时再执行。
当然是立马执行了，这不就是异步把情敌给复位了嘛。
你击败情敌之后，要对全班同学宣布的你胜利，是每天早会宣布呢，还是里面召集同学宣布呢？
此时大势已定，当然是按CLK四平八稳来得妥当，大家会认为你是一个做事不鲁莽，有步骤的，电工十佳青年。

所以，我们称之为，异步复位，同步释放。
always @ (posedge clk or negedge nRST)
    if (!nRST)
        击败情敌;
    else
        把击败情敌的战果宣布;
   

再举个例子，Memory的访问，为了简化，我们做个ROM，这样只有读的一种情况，适合理解记忆
model memory8(input[7:0] addr, output[7:0] dat)
    reg[7:0]    rom[255:0];
    assign dat = rom[addr];
endmodule

model memory8(input clk, input[7:0] addr, output[7:0] dat)
    reg[7:0]    rom[255:0];
    reg[7:0]    outbuf;

    assign dat = outbuf;
    always @(posedge clk)
        outbuf <= rom[addr];
endmodule

简单的是异步的，只要地址变化了，输出立马就表现。
我们实际使用的27系列的EPROM，61系列的异步SRAM，都是这样的，始终把OE信号置于有效即可。

复杂的就是同步的了，我不管你地址变了没，在CLK上升沿到来之前，我懒的理你。
异步的SRAM，刚查了下，也有61系列的； 看来不能以前缀来瞎子摸象了。

一般实际用的时候，异步SRAM肯定比同步的好用，同步的老要CLK，你是IO口模拟呢，还是怎么输出呢？
但同步的Memory也不是吃素的，吃的多必然长得壮，同步可以提高更高的传输速度。

该往回说了，为何同步电路可以提高更高的速度呢？

异步，就是赛跑，速度以跑得慢的人为准，团队精神嘛，这不能平均，只能搞木桶原理。
同步，就是大家按一个节奏，你慢的话，就用2个节奏完成，但必须按节奏。

这样负责协调的那个人，就是喊一二一的那个人(clk)，可以把握全局的节奏来达到速度最大化。

所以一般FPGA里面都有全局时钟，强大的扇出能力，最小的传输延迟，因为他是老大，好资源他先挑的。
他就好比系统的原子铯钟，他很精确，我们每天跟他对一下时间，我们自家的表，就不会产生误差积累。

异步，2个队伍，各自有自家的老大，比如一个是地址线，一个是数据先，某个时刻，主控一抓。
可能地址线跑得快，数据线跑的慢，就会出现数据错位的情况，数字电路上叫竞争。
你作为运筹帷幄的总统，不能断定2个队伍能同事到达，你仍然用这个方法，你就是在冒险。

作为设计而言，应尽量避免竞争冒险。
如果系统简单，工期紧，速度要求低，逻辑简单，用异步的。
如果系统庞大，速度要求越高越好，逻辑交叉错节，坚决用同步的。
同步设计就是个工具，让智商90的人可以干智商120的人的工作。

Asynchronous 和 Synchronous 这两个单词我老是分不清
后来学软件学逻辑电路，给记住了，带A的要要冒尖的，是异步的

明天要讲的有限状态机，是以同步设计为基础的设计方式，然后我们就可以用90的智商做150智商的工作了。