fpga系列 HDL：跨时钟域同步 4-phase handshake（四相握手通信协议,请求-确认机制）浅释与代码实现

应用场景

• 异步电路设计：用于模块之间的通信，尤其是在没有全局时钟的情况下。
• 总线通信：如处理器与外设之间的数据传输。
• FIFO 缓冲区管理：用于控制 FIFO 的读写操作，确保数据不会溢出或丢失。
• 分布式系统：用于节点之间的消息传递和同步。

四相握手的四个阶段

• 四相握手协议是一种基于请求（Request）和应答（Acknowledge）信号的通信机制。它通过四个阶段完成一次数据传输，因此得名“四相握手”。

Phase 1: 数据准备与请求

• 发送方将数据准备好，并将 Req 信号置为高电平（或激活状态），通知接收方数据已准备好。
• 接收方检测到 Req 信号的变化后，知道可以开始接收数据。

Phase 2: 数据传输与确认

• 接收方读取数据，并在成功接收后将 Ack 信号置为高电平（或激活状态），通知发送方数据已被接收。
• 发送方检测到 Ack 信号的变化后，知道数据传输已完成。

Phase 3: 请求信号复位

• 发送方将 Req 信号复位（置为低电平或非激活状态），表示当前数据传输已结束。
• 接收方检测到 Req 信号的变化后，知道可以准备接收下一个数据。

Phase 4: 应答信号复位

• 接收方将 Ack 信号复位（置为低电平或非激活状态），表示已经准备好接收下一次数据。
• 发送方检测到 Ack 信号的变化后，知道可以开始下一轮数据传输。

 FIFO数据控制模块Sender                        数据使用模块Receiver

    REN_FIFO<=1;
        | 
  读取一位数据到REG
  SendIrq <= 1'b1;     ======== a~b =========> if(SendIrq == 1'b1)       
                                                      |使用读取的数据  
  if(SendAck == 1'b1)  <======= b~c ==========    SendAck <= 1'b1;
        |
  SendIrq <= 1'b0;     ======== c~d =========> if(SendIrq == 1'b0)    
                                                      |
                                                 SendAck <= 1'b0;
                                                 Status <= 1'b0;

特点与优势

可靠性

• 每次数据传输都需要双方确认，确保数据不会丢失或被重复处理。
• 即使系统时钟不同步，也能正常工作，适用于异步通信。

灵活性

• 不依赖于全局时钟信号，适合异步电路设计。
• 支持动态调整数据传输速率，适应不同的应用场景。

双向同步

• 发送方和接收方通过 Req 和 Ack 信号实现双向同步，确保双方的状态一致。

容错能力

• 如果一方出现故障（例如未及时响应），另一方可以通过超时机制或其他方式检测并处理。

CODE

Sender

// FIFO 控制，第一个数为数据的长度，通过循环读取确保数据读取完成
always@(negedge CLK_for_FIFO or negedge SYS_RST)
begin
	if(~SYS_RST)
	begin	
		REN_to_CMDFIFO <=0;	
		DataNum <= 0;	
		ReadCount <=0;
		DelayCount <= 0;		
		SendIrq    <= 1'b0;
		SendIrq <= 1'b0;
		SenderStatus<=0;
	end	
	else 
	begin
			case(SenderStatus) // 状态机开始位置！！！
			0:
			begin
			if(USEDW >= 1)
				begin
					REN_to_CMDFIFO	<= 1;
					DataNum 		<= 0;
					ReadCount 	    <= 0;
					SenderStatus	<= 1;			
				end
			end	
			1:
			begin
				DataNum     	<= D_from_CMDFIFO;// FIFFO的输出数据
				REN_to_CMDFIFO	<= 0;
				DelayCount 		<= 0;
				SenderStatus	<= 2;
			end
			2: 
			begin
				if( USEDW >= DataNum )  // 如果FIFO中数据量>= DataNum
				begin
					SenderStatus <= 4;
				end
				else
				begin
					SenderStatus <= 3; // 状态3是起延时作用
				end	
			end
			3:
			begin			
				if(DelayCount == 500000)
				begin
					DelayCount 		<= 16'b0;
					SenderStatus 	<= 0; // 直接回到状态2可能会导致状态机继续无效循环，而回到状态0则可以重新评估是否应该继续尝试读取数据
				end	
				else
				begin
					DelayCount 		<= DelayCount + 1'b1;
					SenderStatus 	<= 2;
				end
			end
			4:
			begin
				if( USEDW>=1 )
				begin
					REN_to_CMDFIFO  <= 1; // 可以进行读取了
					ReadCount       <= ReadCount + 1'b1;
					SenderStatus    <= 5;			
				end				
			end
			5:
			begin
				SerialData[7:0]	    <= D_from_CMDFIFO[7:0];	// 读取一位数据		
				REN_to_CMDFIFO		<= 0;
				SendIrq    			<= 1'b1; 
				SenderStatus		<= 6;	
			end
			6:
			begin
				if(SendAck == 1'b1)  // SendAck是和SendIrq关联的控制寄存器
				begin
					SendIrq        <= 1'b0;
					SenderStatus   <= 7;
				end
			end
			7:
			begin
				if(ReadCount == DataNum)
				begin
					SenderStatus <= 0;      // 如果已经读取固定长度的数据，转到状态0
				end
				else
				begin
					SenderStatus <= 4;      // ReadCount ！= DataNum，继续读取并发送数据
				end		
			end
			default:
			begin
				SenderStatus	<= 0;
			end
			endcase
	end
end

Receiver

always@(posedge CLK_for_FIFO or negedge SYS_RST)
begin
	if(~SYS_RST)
	begin
		ReceiverStatus <= 0;
	end
	else
	begin
		case(ReceiverStatus)
		0: // 等待中断信号SendIrq有效
		begin
			if(SendIrq == 1'b1) // 读取一位数据进行发送请求
			begin
				ReceiverStatus <= 1;
			end
		end
		1:  // 根据TempSend300HzBuf和PNFlag的值决定下一步操作
		begin		
			OUT[0] = SerialData[0]; // 从FIFO读取的数据
			ReceiverStatus <= 2;
		end
		2:
		begin
			if(count_receiver == 200000 ) // 状态2：延时200000个时钟周期后
			begin
				SendAck 	    <= 1;
				count_receiver 	<= 0;			
				ReceiverStatus 	<= 3;
			end
			else
			begin
				count_receiver   <= count_receiver + 1'b1;
			end	
		end
		3:
		begin
			if(SendIrq == 1'b0) // 状态11：等待SendIrq无效后回到控制数据读取初始状态0
			begin
				SendAck 	    <= 0;
				ReceiverStatus 	<= 0;
			end
		end
		default: // 默认情况下重置所有相关寄存器和变量
		begin
			TempSerialData    <= 0;
			ReceiverStatus 	  <= 0;
			SendAck 	      <= 0;
		end
		endcase
	end
end

CG

• 数字芯片设计中常见的三个握手协议

上图绘制代码

// https://wavedrom.com/editor.html
{signal: [
  {name: 'clk', wave: 'p.........'}, 
  {name: 'req', wave: '0.1...0...',node: '..a...c...'},
  {name: 'ack', wave: '0....1...0',node: '.....b...d'},
  {name: 'dat', wave: '.x=..x....', data: ['data']},
],
  head:{
   text:'4-phase Handshake',
   tick:0,
   every:2
 },
    edge: [
    'a~b', 'b~c', 'c~d', 
  ]
}