復(fù)位設(shè)計中的結(jié)構(gòu)性缺陷及解決方案

隨著數(shù)字化設(shè)計和SoC的日益復(fù)雜，復(fù)位架構(gòu)也變得非常復(fù)雜。在實施如此復(fù)雜的架構(gòu)時，設(shè)計人員往往會犯一些低級錯誤，這些錯誤可能會導(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)計的基本的結(jié)構(gòu)性問題。在每個問題的最后，都提出了一些解決方案。

復(fù)位域交叉問題

1.問題

在一個連續(xù)設(shè)計中，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時鐘域，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。

在上面的時序圖中，當(dāng)有一些有效數(shù)據(jù)交易通過C1進行時，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進入亞穩(wěn)態(tài)，這可能導(dǎo)致設(shè)計發(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進行設(shè)置保持檢查的時序弧能夠避免設(shè)計亞穩(wěn)態(tài)。然而，通常在默認(rèn)情況下C_CLR——>Q時序弧在庫中不啟用，需要在定時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)計中發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)傳播。然而，設(shè)計人員應(yīng)確保安裝兩個觸發(fā)器引入的延遲不會影響預(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)計中會產(chǎn)生組合環(huán)路，這會在該復(fù)位源產(chǎn)生干擾。組合路徑的傳播延遲會根據(jù)不同的流程、電壓或溫度以及干擾范圍而不同。如果設(shè)計中使用了組合信元用于復(fù)位斷言和去斷言，那么也會導(dǎo)致模擬中出現(xiàn)紊亂情況。這被視為設(shè)計人員的非常低級的錯誤。

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，會導(dǎo)致rst_b斷言，這是全局復(fù)位?，F(xiàn)在，如果全局復(fù)位本身被用于清除“SW_Q”復(fù)位斷言，那么會在設(shè)計中在SW_Q輸出和全局復(fù)位時產(chǎn)生干擾。此外，在模擬中，這會導(dǎo)致紊亂情況，因為復(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（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)位整個系統(tǒng)（通過斷言全局復(fù)位），因為全局系統(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問題。干擾范圍可能無法在至少一個周期內(nèi)保持穩(wěn)定，因此這不會被目標(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鐘（除了脈沖捕捉電路），因為它可能違反時鐘寬度。

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)計人員永遠都不應(yīng)犯下上述（圖2）低級錯誤。

*如果復(fù)位實現(xiàn)如圖3所示，那么設(shè)計人員應(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。

*解決這個問題的最好的方法是在復(fù)位狀態(tài)機中使用之前注冊該復(fù)位源。雖然它將導(dǎo)致時鐘依靠全局復(fù)位斷言，但是無論如何，如果沒有時鐘，該內(nèi)部復(fù)位（SW_Q）都不會斷言。請參見圖4.

圖4：解決方案1.

此外，用戶也可以擴展SW_Q斷言，然后再在設(shè)計中使用它，復(fù)位斷言與時鐘無關(guān)。請參見圖5.

圖5：解決方案2.