一、主要概念
同步邏輯和異步邏輯:時(shí)鐘域?yàn)橛蓡蝹€(gè)時(shí)鐘或具有固定相位關(guān)系的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)部分。也就是說,在一個(gè)模塊中一個(gè)時(shí)鐘和他的翻轉(zhuǎn)或者分頻時(shí)鐘認(rèn)為是相同的時(shí)鐘域,其所驅(qū)動(dòng)的邏輯是同步邏輯。在一個(gè)模塊中不具有相同相位和時(shí)間關(guān)系的時(shí)鐘被視為不同的時(shí)鐘域,其所驅(qū)動(dòng)的邏輯是異步邏輯。
亞穩(wěn)態(tài):如果數(shù)據(jù)傳輸中不滿足觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間,或者復(fù)位過程中復(fù)位信號(hào)的釋放相對(duì)于有效時(shí)鐘沿的恢復(fù)時(shí)間(recovery time)不滿足,就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)就是無(wú)法避免的,亞穩(wěn)態(tài)主要發(fā)生在異步信號(hào)檢測(cè)、跨時(shí)鐘域信號(hào)傳輸以及復(fù)位電路等常用設(shè)計(jì)中。
MTBF: 平均無(wú)故障工作時(shí)間,英文全稱:Mean time between failures;利用平均故障間隔時(shí)間(MTBF)公式可以預(yù)測(cè)亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生,MTBF越大則說明亞穩(wěn)態(tài)對(duì)電路產(chǎn)生的影響越小,反之亦然。
其中C1和C2是常數(shù),依賴于構(gòu)建觸發(fā)器所使用的技術(shù);tMET為在不引起同步失敗的前提下亞穩(wěn)態(tài)輸出持續(xù)時(shí)間,時(shí)間越長(zhǎng)MTBF指數(shù)級(jí)增大,所以高頻電路兩級(jí)觸發(fā)器不夠可能要用三級(jí)觸發(fā)器來保證;fclk和fdata分別是同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率;所以在不影響功能前提下,可以降頻工作頻率和數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)頻率,都可以有效的增大MTBF。
二、CDC典型錯(cuò)誤場(chǎng)景
在芯片設(shè)計(jì)過程中,CDC正向確認(rèn)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)幾種典型的錯(cuò)誤場(chǎng)景:沒有處理直接裸跨、輸入同步器前組合邏輯輸出以及多路扇出和重新聚合場(chǎng)景等,還有一些不太常見情況未列出,請(qǐng)參閱文末資料。
2.1直接裸跨
如上圖,如果CLK B采樣DA,而DA是變化的(在CLK的上升邊緣和下降D)的邊緣,則DB將是亞穩(wěn)態(tài)的,這種就是沒有使用同步器,顯然是不合理的。
2.2毛刺(Glitch)
異步路徑時(shí)序工具不會(huì)進(jìn)行時(shí)序分析,這條道路上的任何邏輯都必須謹(jǐn)慎精心設(shè)計(jì)并驗(yàn)證,因?yàn)檫壿嬁赡軐?dǎo)致故障并在下游產(chǎn)生功能錯(cuò)誤。如下圖所示,盡管兩個(gè)源觸發(fā)器同時(shí)給出脈沖,但由于布局布線以及環(huán)境原因而引起的傳播延遲(Td)不同,導(dǎo)致DA1和DA2信號(hào)不能同時(shí)到達(dá),因此在CLKA時(shí)鐘域下A&B會(huì)產(chǎn)生毛刺,而在CLKB時(shí)鐘域下產(chǎn)生一個(gè)假脈沖,導(dǎo)致后繼電路異常。正確的做法是將A&B在CLKA時(shí)鐘域下打一拍寄存器輸出。
此外,還有另外一種情況出現(xiàn)漏采,如下圖所示,DB1在CLKB時(shí)鐘域下應(yīng)有的高電平信號(hào),由于DA1和DA2的傳輸延時(shí)不同,導(dǎo)致在CLKB下沒有傳遞出去。
2.3多路扇出
單個(gè)信號(hào)扇出輸入到多個(gè)同步器時(shí),由于輸入信號(hào)到達(dá)的同步器的時(shí)間不同(傳輸延時(shí)Td不同),同步可能需要一拍或者兩拍完成同步,此時(shí)同步后的各個(gè)信號(hào)之間可能存在錯(cuò)拍問題。如下圖所示,DA1和DA2信號(hào)同步后分別是Fsm1_en 和 Fsm2_en信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)如果仍認(rèn)為它們是相同的信號(hào),就會(huì)導(dǎo)致邏輯功能錯(cuò)誤。
2.4重新聚合(RECONVERGENCE)
在多bit跨時(shí)鐘傳輸過程中,如果各個(gè)bit之間分別使用單bit同步器進(jìn)行跨時(shí)鐘處理,在目的時(shí)鐘域又重新聚合起來。如下圖所示,DA1和DA2由于傳輸delay不同,在 CLKB上升沿采樣時(shí),就會(huì)有2’10不期望值的出現(xiàn),這樣DB1和DB2進(jìn)行邏輯處理(聚合)時(shí),也會(huì)得到不期望的值,這也是總線不能采用單bit同步器進(jìn)行跨時(shí)鐘處理的原因。此外,格雷碼是可以使用單bit同步器進(jìn)行處理的,AFIFO就是其典型設(shè)計(jì)。
擴(kuò)展:上述指的兩個(gè)兩級(jí)觸發(fā)器的單bit同步器,可以擴(kuò)展為兩個(gè)AFIFO總線跨時(shí)鐘,如果設(shè)計(jì)不當(dāng),只使用其中一個(gè)AFIFO的empty作為兩個(gè)AFIFO讀判斷,由于格雷碼同步的不確定性,導(dǎo)致兩個(gè)AFIFO的empty信號(hào)不一致,當(dāng)出口兩組總線聚合時(shí),就會(huì)發(fā)生錯(cuò)拍問題,從而導(dǎo)致功能異常。解決辦法是兩個(gè)AFIFO的讀條件應(yīng)該關(guān)聯(lián)或者使用一個(gè)大的AFIFO.
Referencecadencecdc(1)
Reference Spyglass cdc(2)
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原文標(biāo)題:CDC(四) CDC典型錯(cuò)誤案例
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