如何調(diào)試設(shè)計中的時鐘域交匯問題

本篇博文中的分析是根據(jù)客戶真實問題撰寫的，該客戶發(fā)現(xiàn)即使時序已得到滿足的情況下，硬件功能仍出現(xiàn)錯誤。最后發(fā)現(xiàn)，問題與時鐘域交匯 (Clock Domain Crossing) 有關(guān)，因此，本篇博文介紹了如何調(diào)試設(shè)計中的時鐘域交匯問題。

問題說明：

在此設(shè)計中，用戶生成了比特流并將其用于器件編程，在硬件上進行測試時，用戶發(fā)現(xiàn)少量時鐘域上無法獲得期望的功能。

用戶對行為仿真和實現(xiàn)后仿真進行了測試，發(fā)現(xiàn)信號上可得到正確的結(jié)果。

同時，這些用戶未發(fā)現(xiàn)任何種類的時序違例，所有值均為正值，如“設(shè)計時序匯總 (Design Timing Summary)” 中所示。

注：您可使用以下選項自行檢查設(shè)計的時序匯總信息：

■ 在 Vivado GUI 中，轉(zhuǎn)至“報告 (Reports)”選項卡 ->“時序 (Timing)”->“時序匯總報告 (Report Timing Summary)”

■運行以下 Tcl 命令：

report_timing_summary -file /timingreport.txt

根本原因：

硬件功能問題背后可能存在多種原因。

包括缺少時鐘域交匯 (CDC) 同步器、時鐘拓撲欠優(yōu)化、時鐘結(jié)構(gòu)中使用了組合邏輯、亞穩(wěn)態(tài)以及經(jīng)典的未約束路徑問題。

要檢查與時鐘/架構(gòu)/CDC 等相關(guān)的警告/嚴重警告，可使用方法論報告。

要在 Vivado GUI 中打開方法論報告，請轉(zhuǎn)至“報告 (Report)”選項卡 ->“方法論報告 (Report Methodology)”，或者在 Tcl 控制臺 (Tcl console) 中，使用 report_methodology。

報告打開后，您可能會看到幾條與設(shè)計相關(guān)的警告和嚴重警告，需您進行檢查。

在此示例中，報告中顯示了幾條警告，這些警告與 CDC 相關(guān)的錯誤實踐有關(guān)（這些警告的 ID 為 Timing-9 和 Timing-10），如下所示。

這些警告聲稱工具經(jīng)由約束語句（例如，set_false_path 或 set_clock_groups）的使用，在 2 個時鐘域之間檢測到一個或多個異步時鐘域交匯。

但它在捕獲時鐘端未找到任何雙寄存器邏輯同步器。因此，它建議用戶運行 report_CDC 并對這些 CDC 路徑執(zhí)行進一步分析。

要在 Vivado GUI 中打開 CDC 報告，請轉(zhuǎn)至“報告 (Report)”選項卡 -> “時序 (Timing)”->“CDC 報告 (Report CDC)”?；蛘?，您可在 Tcl 控制臺中運行 report_cdc 命令。

請參閱 (UG906) 以獲取有關(guān)閱讀此 CDC 報告的詳細指南。

CDC 報告顯示在發(fā)生硬件功能錯誤的時鐘域內(nèi)存在不安全的未知 CDC 端點（如下所示）。請參閱 (UG906) 以了解此報告命名法。

如何解決這些警告/嚴重警告？

1) (UG906)包含有關(guān)這些警告以及其它時序方法論檢查的詳細說明。請詳查其中提供的示例，以理解每一項警告及其根本原因。您可通過添加適當?shù)耐诫娐罚ㄍㄟ^修改 RTL 或者使用賽靈思可參數(shù)化宏 (XPM)）來相應(yīng)改善設(shè)計。

2) 您可能還需要相應(yīng)添加或修改約束，或者在 RTL 源代碼中為 CDC 端點添加 ASYNC_REG 屬性。（您還可參閱(UG906)以便詳細了解 CDC 拓撲結(jié)構(gòu)。）

3) 對于偽靜態(tài)寄存器接口，最好將 CDC 接口豁免，而不是對其進行過度設(shè)計。

如需獲取有關(guān)豁免以及如何創(chuàng)建豁免的更多信息，請參閱 (UG906)。

注：偽靜態(tài) CDC 寄存器接口為包含近似靜態(tài)的配置寄存器的 CDC 路徑。這些路徑初始化后可能不再改變，或者可能僅改變 1 次，因此用戶幾乎可以將其看作是靜態(tài)的。

結(jié)論

對 CDC 路徑完成必要修改后，客戶得以成功通過硬件的功能測試。

　　審核編輯：湯梓紅