全面剖析數(shù)字電路中的復(fù)位設(shè)計(jì)

4. 解決方案

* 在合成過程中在復(fù)位路徑保留多路復(fù)用結(jié)構(gòu)，因?yàn)槎嗦窂?fù)用結(jié)構(gòu)與其他組合邏輯相比易于產(chǎn)生干擾。MUX Pragma可以在編碼RTL時(shí)使用，這將有助于合成工具在復(fù)位路徑中保留任何多路復(fù)用器。

設(shè)計(jì)中的同步復(fù)位問題

1. 問題(I)

在許多地方，設(shè)計(jì)人員在時(shí)鐘方面喜歡同步復(fù)位設(shè)計(jì)。原因可能是為了節(jié)省一些芯片面積(帶有異步復(fù)位輸入的觸發(fā)器比任何不可復(fù)位觸發(fā)器都大)或讓系統(tǒng)與時(shí)鐘完全同步，也可能有一些其他原因。對(duì)于此類設(shè)計(jì)，當(dāng)復(fù)位源被斷言時(shí)需要向設(shè)計(jì)的觸發(fā)器提供時(shí)鐘，否則，這些觸發(fā)器可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)都不進(jìn)行初始化。但當(dāng)該模塊被插入一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能選擇在復(fù)位階段禁用其時(shí)鐘(如果在一開始不需要激活該模塊)，以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗。因此，該模塊甚至在復(fù)位去斷言后一段時(shí)間內(nèi)都不進(jìn)行初始化。如果該模塊的任何輸出直接在系統(tǒng)中使用，那么將捕獲未初始化和未知的值(X)，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能故障。

圖9：同步復(fù)位問題時(shí)序圖

2. 解決方案

在復(fù)位階段啟用該模塊的時(shí)鐘且持續(xù)最短的時(shí)間，使該模塊內(nèi)的所有觸發(fā)器都在復(fù)位過程中被初始化。 當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位被去斷言時(shí)，模塊輸出不會(huì)有任何未初始化的值。

圖10：同步復(fù)位問題已解決

3. 問題(II)

在時(shí)鐘域交叉路徑使用兩個(gè)觸發(fā)同步器是常見做法。然而，有時(shí)設(shè)計(jì)人員對(duì)這些觸發(fā)器使用同步復(fù)位。相同的RTL代碼是

always @(posedge clk )

if(!sync_rst_b) begin

sync1 <= 1‘b0; sync2 <= 1’b0 ;

end

else begin

sync1 <= async_in; sync2 <= sync1

end

在硬件中進(jìn)行了RTL合成后，上面的代碼會(huì)在雙觸發(fā)器同步器的同步鏈中引入組合邏輯，這會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)，并縮短sync2觸發(fā)器輸入進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

圖11：同步復(fù)位問題2

4. 解決方案

可用以下方式編寫RTL代碼，以避免同步鏈的組合邏輯。

always @(posedge clk )

if(!sync_rst_b) begin

sync1 <= 1‘b0;

end

else begin

sync1 <= async_in; sync2 <= sync1

end

在上面的代碼中，對(duì)sync2觸發(fā)器不使用復(fù)位，因此在同步鏈中不會(huì)實(shí)現(xiàn)組合信元。然而，需要注意sync2需要一個(gè)額外的周期才能復(fù)位，這不應(yīng)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)任何問題。

冗余復(fù)位同步器引起的問題

1. 問題

在使用多個(gè)異步時(shí)鐘的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要確保在目標(biāo)寄存器使用的時(shí)鐘方面，異步復(fù)位的同步去斷言，否則可能導(dǎo)致目標(biāo)觸發(fā)器發(fā)生時(shí)序違反，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。復(fù)位同步器被用來復(fù)位去斷言，與目標(biāo)時(shí)鐘域同步。然而，只有在系統(tǒng)復(fù)位去斷言過程中有目標(biāo)時(shí)鐘時(shí)才會(huì)發(fā)生復(fù)位去斷言時(shí)序違反。如果在復(fù)位去斷言時(shí)沒有時(shí)鐘，那么便不會(huì)有任何時(shí)序違反。因此，在設(shè)計(jì)多時(shí)鐘域模塊時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以讓編譯時(shí)間選項(xiàng)繞過該模塊中的那些復(fù)位同步器，并讓系統(tǒng)集成商根據(jù)對(duì)該模塊的時(shí)鐘可用性決定是否需要使用復(fù)位同步器。

此外，如果系統(tǒng)時(shí)鐘和異步時(shí)鐘比非常高，冗余同步器甚至?xí)斐稍O(shè)計(jì)功能性問題。下面描述了這個(gè)問題。

圖12：冗余同步器的問題

在上面的設(shè)計(jì)中，去斷言與sys clk同步的系統(tǒng)復(fù)位被饋送到(mod_clk域)的復(fù)位同步器，然后在mod_clk域邏輯中使用該復(fù)位。讓我們假定sys clk ： mod_clk的時(shí)鐘頻率比大于6:1.默認(rèn)不啟用mod_clk，以節(jié)省動(dòng)態(tài)功率。當(dāng)用戶想要啟用mod_clk域邏輯的功能時(shí)，便啟用該時(shí)鐘。在啟用了該時(shí)鐘后，有兩個(gè)mod_clk周期的延遲，其中，由于復(fù)位同步器導(dǎo)致整個(gè)mod_clk域邏輯都處于復(fù)位狀態(tài)。在該階段，如果一些數(shù)據(jù)交易從sys clk域開始，將在mod_clk域丟失。

2. 解決方案

雖然這不是大問題，但有時(shí)會(huì)在客戶一端造成混淆，因?yàn)樵撗舆t對(duì)客戶不可見。 因此消除混淆的更好的方式是：

* 如果在全局復(fù)位去斷言過程中沒有時(shí)鐘，則在設(shè)計(jì)中繞過/刪除冗余復(fù)位同步器。 這當(dāng)然會(huì)節(jié)省一定的門控?cái)?shù)。

* 如果動(dòng)態(tài)功耗不是問題，用戶可以在mod_clk域邏輯開始運(yùn)作之前很長(zhǎng)時(shí)間在啟動(dòng)代碼選擇啟用mod_clk. 因此，復(fù)位去斷言將有足夠的時(shí)間傳播。

* 這也可以在軟件中處理，在任何有效操作之前啟用了mod_clk后，設(shè)置兩三個(gè)mod_clk周期的延遲。

由于罕見的時(shí)鐘路徑導(dǎo)致復(fù)位去斷言時(shí)序問題

1. 問題

設(shè)計(jì)的復(fù)位架構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)而不同。在一些安全關(guān)鍵設(shè)備中，整個(gè)復(fù)位狀態(tài)機(jī)在安全時(shí)鐘上工作，安全時(shí)鐘默認(rèn)啟用。 該時(shí)鐘也被用作設(shè)備的默認(rèn)系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖13：罕見時(shí)鐘路徑的問題

在上圖中，復(fù)位狀態(tài)機(jī)(R觸發(fā)器)在default_clk上工作。此外，在復(fù)位去斷言過程中，default_clk是sys clk的源。因此，在邏輯上，這兩個(gè)時(shí)鐘(clk1和clk2)在復(fù)位去斷言過程中同步。但是，由于clk1和clk2之間存在巨大的罕見路徑，因此很難平衡這兩個(gè)時(shí)鐘并視其為同步。 因此，滿足A觸發(fā)器的復(fù)位去斷言變得具有挑戰(zhàn)性。

2. 解決方案

異步對(duì)待clk1和clk2，并在A觸發(fā)器中使用復(fù)位之前放置復(fù)位同步器?，F(xiàn)在需要從S2--》A滿足復(fù)位去斷言時(shí)序(見圖14)。這不應(yīng)是個(gè)問題。

圖14：解決方案

結(jié)束語

這部分主要專注于復(fù)位設(shè)計(jì)中的故障以及克服這些問題的可能的解決方案。然而，上述解決方案并非唯一的解決方案，也不普遍適用于所有設(shè)計(jì)。這些是一些通用的解決方案和建議的指導(dǎo)方針，在特殊情況下可能需要進(jìn)行修改。在這些情況下，此類問題不僅導(dǎo)致功能故障，還會(huì)增加一些額外的調(diào)試時(shí)間和工作，從而增加執(zhí)行周期時(shí)間。因此，設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)的早期階段考慮此類問題。