全面剖析數(shù)字電路中的復(fù)位設(shè)計(jì)
隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)和SoC的日益復(fù)雜,復(fù)位架構(gòu)也變得非常復(fù)雜。在實(shí)施如此復(fù)雜的架構(gòu)時(shí),設(shè)計(jì)人員往往會(huì)犯一些低級(jí)錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)、干擾或其他系統(tǒng)功能故障。本文討論了一些復(fù)位設(shè)計(jì)的基本的結(jié)構(gòu)性問題。在每個(gè)問題的最后,都提出了一些解決方案。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/247850.htm復(fù)位域交叉問題
1. 問題
在一個(gè)連續(xù)設(shè)計(jì)中,如果源寄存器的異步復(fù)位不同于目標(biāo)寄存器的復(fù)位,并且在起點(diǎn)寄存器的復(fù)位斷言過程中目標(biāo)寄存器的數(shù)據(jù)輸入發(fā)生異步變化,那么該路徑將被視為異步路徑,盡管源寄存器和目標(biāo)寄存器都位于同一個(gè)時(shí)鐘域,在源寄存器的復(fù)位斷言過程中可能導(dǎo)致目標(biāo)寄存器出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。這被稱為復(fù)位域交叉,其中啟動(dòng)和捕捉觸發(fā)的復(fù)位是不同的。
在這種情況下,C寄存器和A寄存器的起點(diǎn)異步復(fù)位斷言是不同的。在C寄存器復(fù)位斷言過程中而A觸發(fā)器沒有復(fù)位,如果A寄存器的輸入端有一些有效數(shù)據(jù)交易,那么C寄存器的起點(diǎn)異步復(fù)位斷言引起的異步變更可能導(dǎo)致目標(biāo)A寄存器發(fā)生時(shí)序違規(guī),從而可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。
圖1:復(fù)位域交叉問題
在上面的時(shí)序圖中,當(dāng)有一些有效數(shù)據(jù)交易通過C1進(jìn)行時(shí),rst_c_b獲得斷言,導(dǎo)致C1發(fā)生異步改變,w.r.t clk從而使QC1進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài),這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)發(fā)生功能故障。
2. 解決方案
* 使用異步復(fù)位、不可復(fù)位觸發(fā)器或D1觸發(fā)器POR.
* 如果復(fù)位源rst_c_b是同步的,那么則認(rèn)為來自C_CLR --> Q的用于從rst_c_b_reg -->C_CLR-->C_Q1-->C1-->A_D進(jìn)行設(shè)置保持檢查的時(shí)序弧能夠避免設(shè)計(jì)亞穩(wěn)態(tài)。然而,通常在默認(rèn)情況下 C_CLR-->Q時(shí)序弧在庫(kù)中不啟用,需要在定時(shí)分析過程中明確啟用。
* 在目的地(A)使用雙觸發(fā)器同步器,以避免設(shè)計(jì)中發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)傳播。然而,設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保安裝兩個(gè)觸發(fā)器引入的延遲不會(huì)影響預(yù)期功能。
由于組合環(huán)路導(dǎo)致復(fù)位源干擾
1. 問題
在SoC 中,全局系統(tǒng)復(fù)位在設(shè)備中組合了軟件或硬件生成的各種復(fù)位源。LVD復(fù)位、看門狗復(fù)位、調(diào)試復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘丟失復(fù)位是導(dǎo)致全局系統(tǒng)復(fù)位斷言的一些示例。 然而,如果由于任何復(fù)位源導(dǎo)致的全局復(fù)位斷言是完全異步的,且復(fù)位發(fā)生源邏輯被全局復(fù)位清零,那么設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生組合環(huán)路,這會(huì)在該復(fù)位源產(chǎn)生干擾。組合路徑的傳播延遲會(huì)根據(jù)不同的流程、電壓或溫度以及干擾范圍而不同。如果設(shè)計(jì)中使用了組合信元用于復(fù)位斷言和去斷言,那么也會(huì)導(dǎo)致模擬中出現(xiàn)紊亂情況。這被視為設(shè)計(jì)人員的非常低級(jí)的錯(cuò)誤。
圖2:復(fù)位源干擾(基本問題)
在上圖中,當(dāng)復(fù)位源SW_Q斷言時(shí),會(huì)導(dǎo)致rst_b斷言,這是全局復(fù)位。現(xiàn)在,如果全局復(fù)位本身被用于清除 “SW_Q” 復(fù)位斷言,那么會(huì)在設(shè)計(jì)中在SW_Q輸出和全局復(fù)位時(shí)產(chǎn)生干擾。此外,在模擬中,這會(huì)導(dǎo)致紊亂情況,因?yàn)閺?fù)位源斷言試圖通過該組合邏輯去斷言。
然而,如果復(fù)位源(SW_Q)在復(fù)位狀態(tài)機(jī)(觸發(fā)器的SET/CLR輸入)為全局復(fù)位斷言被異步使用,那么復(fù)位干擾可能能夠復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)(通過斷言全局復(fù)位),因?yàn)槿窒到y(tǒng)復(fù)位去斷言不僅僅與復(fù)位源去斷言相關(guān)。當(dāng)該復(fù)位源(有干擾)被同步使用或在觸發(fā)器D輸入使用的情況下可能依然有一個(gè)問題。干擾范圍可能無法在至少一個(gè)周期內(nèi)保持穩(wěn)定,因此這不會(huì)被目標(biāo)觸發(fā)器捕獲。此外,該復(fù)位源不能被用作任何電路的時(shí)鐘(除了脈沖捕捉電路),因?yàn)樗赡苓`反時(shí)鐘寬度。
圖3:復(fù)位源干擾(問題2)
在上圖中,復(fù)位源SW_Q將出現(xiàn)干擾。雖然如果復(fù)位源SW_Q的干擾在某個(gè)觸發(fā)器被捕捉作為復(fù)位事件狀態(tài)(在S)或用于其他目的,全局復(fù)位輸出(rst_b)都沒有干擾,但它將導(dǎo)致時(shí)序違反/亞穩(wěn)態(tài),或根本不可能被捕獲。
2. 解決方案
* 設(shè)計(jì)人員永遠(yuǎn)都不應(yīng)犯下上述(圖2)低級(jí)錯(cuò)誤。
* 如果復(fù)位實(shí)現(xiàn)如圖3所示,那么設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證復(fù)位源(在該示例中為SW_Q)總是在觸發(fā)器的SET/CLR輸入使用,而不在D或CLK使用。
* 解決這個(gè)問題的最好的方法是在復(fù)位狀態(tài)機(jī)中使用之前注冊(cè)該復(fù)位源。 雖然它將導(dǎo)致時(shí)鐘依靠全局復(fù)位斷言,但是無論如何,如果沒有時(shí)鐘,該內(nèi)部復(fù)位(SW_Q)都不會(huì)斷言。請(qǐng)參見圖4.
圖4:解決方案1
此外,用戶也可以擴(kuò)展SW_Q斷言,然后再在設(shè)計(jì)中使用它,復(fù)位斷言與時(shí)鐘無關(guān)。 請(qǐng)參見圖5.
圖5:解決方案2
復(fù)位路徑的組合邏輯
1. 問題(I)
如果組合邏輯輸入大約在同一時(shí)間發(fā)生變化,那么使用復(fù)位路徑中的組合邏輯可能產(chǎn)生干擾,這可能在設(shè)計(jì)中觸發(fā)虛假?gòu)?fù)位。下面是一個(gè)RTL代碼,它會(huì)在設(shè)計(jì)中意外復(fù)位。
assign module_a_rstb = !((slave_addr[7:0]==8‘h02 & write_enable & (wdata[7:0]==00))
always @(posedge clk or negedge module_rst_b)
if(!module_rst_b) data_q <= 1’b0;
else data_q <= data_d;
在上面的示例中,slave_addr,write_enable和wdata改變它們的值 w.r.t system clock,使用靜態(tài)時(shí)序分析,設(shè)計(jì)人員可以保證在目標(biāo)觸發(fā)器的設(shè)置時(shí)間窗口之前這些信號(hào)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的穩(wěn)定性。然而,在該示例中,這些信號(hào)直接用作觸發(fā)器的異步清零輸入。
因此,即使在特定的時(shí)間slave_addr[7:0]在邏輯上將其值從“00000110”改為 “01100000”,但由于組合邏輯的傳播延遲(凈延遲和信元延遲)它可以用一個(gè)序列“00000110 --> 00000010 --> 00000000 --> 01000000 --> 01100000”生成過渡。
在這段時(shí)間里,salve_addr為“00000010”,如果wdata[7:0]始終為零且“write_enable” 已經(jīng)被斷言,那么它將在module_rst_b創(chuàng)建一個(gè)無用脈沖,從而導(dǎo)致虛假?gòu)?fù)位。
圖6:復(fù)位路徑的組合邏輯
2. 解決方案
首先注冊(cè)組合輸出,然后再將其用作復(fù)位源(如圖7所示)。
圖7:復(fù)位路徑的組合邏輯解決方案
3. 問題(II)
在上面的示例中,復(fù)位路徑的組合邏輯解決方案并不完善。如果組合邏輯輸入大約在同一時(shí)間發(fā)生變化,那么它可能在設(shè)計(jì)中觸發(fā)虛假?gòu)?fù)位。然而,如果組合邏輯的輸入信號(hào)變化相互排斥,那么它可能不會(huì)引起任何設(shè)計(jì)問題。例如,測(cè)試模式和功能模式相互排斥。因此復(fù)位路徑的測(cè)試復(fù)用是有效的設(shè)計(jì)實(shí)踐。
然而,對(duì)于某些情況,變化相互排斥的靜態(tài)信號(hào)或信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)虛假?gòu)?fù)位觸發(fā)。下面的示例描述了此類設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)問題。
圖8:復(fù)位路徑的組合邏輯(問題 2)
在上面的示例中,多路復(fù)用結(jié)構(gòu)用于復(fù)位路徑,同時(shí)進(jìn)行RTL編碼。其中“mode” 是一個(gè)控制信號(hào),不頻繁改變,而mode0_rst_b和mode_1_rst_b是兩個(gè)復(fù)位事件,然而在合成RTL時(shí),在門控級(jí)它被分解成不同的復(fù)雜的組合(And-Or-Invert[AOI])信元。雖然在邏輯上它相當(dāng)于一個(gè)多路復(fù)用器,但由于不同的信元和凈延遲,每當(dāng)信號(hào)“mode”從 1-->0變化時(shí),final_rst_b都會(huì)產(chǎn)生干擾。
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