一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)案例分析

麻雀雖小，五臟俱全。CPLD規(guī)模雖小，其原理和設(shè)計(jì)方法和FPGA確是一樣的。輕視在CPLD上的投入，就有可能存在設(shè)計(jì)隱患，導(dǎo)致客戶使用產(chǎn)品時(shí)出現(xiàn)故障，從而給公司帶來(lái)不可挽回的信譽(yù)損失。

近一段時(shí)間，我遇到了兩個(gè)CPLD設(shè)計(jì)故障，這兩個(gè)故障的根因(root cause)是一樣的。其中的一個(gè)故障發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，另一個(gè)發(fā)生在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)上，造成了非常不好的負(fù)面影響，因此引起了高度重視，必須徹底找出原因并消除。雖然可以很容易讓故障不復(fù)現(xiàn)，但是要想找到根因，并給相關(guān)人員解釋清楚, 卻并不是一件容易的事情。

問(wèn)題代碼

圖 1. 問(wèn)題代碼截圖

這段代碼的功能是統(tǒng)計(jì) 輸入信號(hào)’status_in’ 的高電平持續(xù)時(shí)間。CPU寫相應(yīng)的寄存器產(chǎn)生’clr_cnt’把”cnt”清零。同時(shí),也會(huì)把”cnt”的值給回讀到CPU。實(shí)際上就是一個(gè)讀清操作。

很明顯，這里有一個(gè)問(wèn)題，就是異步時(shí)鐘域處理的問(wèn)題?！痗lr_cnt’的時(shí)鐘為’clk_sys’，而”cnt”的時(shí)鐘為’clk_io’， ‘clk_sys’和’clk_io’是異步的，沒(méi)有確定的相位關(guān)系。

測(cè)試方法

測(cè)試中，CPU循環(huán)執(zhí)行以下四步：

1. 清零: CPU通過(guò)Local Bus寫寄存器，產(chǎn)生’clr_cnt’脈沖，把”cnt”清零；
2. 計(jì)數(shù): CPU等待一段時(shí)間?！癱nt” 開(kāi)始對(duì)外部輸入 ‘status_in’ 計(jì)數(shù)；
3. 回讀: CPU通過(guò)Local Bus讀取 ”cnt” 值；
4. 循環(huán): goto 1.

實(shí)際實(shí)現(xiàn)可能略有不同，CPLD邏輯在執(zhí)行清零1.的同時(shí)會(huì)把”cnt”的值鎖存下來(lái),供CPU回讀，也就是1.和3.也可以是一個(gè)步驟。這樣表述是為了突出問(wèn)題代碼。

問(wèn)題描述

如果’status_in’ 恒為低電平’0’輸入, 那么”cnt”應(yīng)該恒為零值?？墒?，客戶發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象。測(cè)試中，讓 ‘status_in’ 恒為低電平’0’輸入時(shí)，客戶發(fā)現(xiàn)CPU會(huì)低概率的回讀到非零的”cnt”值。朋友們，你們能解釋這種現(xiàn)象嗎？

初步分析

‘status_in’恒為零，不可能引起”cnt”變化。

‘clr_cnt’在測(cè)試中是翻轉(zhuǎn)變化的?！痗lr_cnt’是從’clk_sys’時(shí)鐘域來(lái)的信號(hào)。而時(shí)鐘’clk_sys’和時(shí)鐘’clk_io’是異步關(guān)系，沒(méi)有固定的相位關(guān)系。也就是說(shuō)’clr_cnt’是可能違反觸發(fā)器”cnt”的建立/保持時(shí)間要求的，進(jìn)而出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。

但是有人認(rèn)為, “cnt”的值原來(lái)是零，“clr_cnt”只是把”cnt”的值清零, 這樣來(lái)說(shuō)觸發(fā)器“cnt”的輸入根本沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化，怎么可能有亞穩(wěn)態(tài)事件? 而且故障出現(xiàn)的概率很高，遠(yuǎn)比亞穩(wěn)態(tài)的概率高，好像也不能用亞穩(wěn)態(tài)來(lái)解釋。

問(wèn)題根因

解釋問(wèn)題的真正原因，必須要知道 ”cnt” 對(duì)應(yīng)的電路網(wǎng)表是什么樣的。”cnt”電路網(wǎng)表由綜合工具(synthesis)生成,可以在綜合工具中查看電路圖, 圖2是網(wǎng)表的局部放大。

*** 圖 2. “cnt”的Technology View電路***

圖2中調(diào)用了進(jìn)位鏈模塊，看起來(lái)很亂，整理一下, 手工簡(jiǎn)化一下如圖3。

圖 3. 手工簡(jiǎn)化的“cnt”的電路圖

圖3中,可以看到，’clr_cnt’和’status_in’相或的結(jié)果控制觸發(fā)器的使能端(‘CE’)。另外，’clr_cnt’還決定了觸發(fā)器輸入(‘D’)是”cnt+1”還是”0”。真值表如下。

也許和你想象中的不一樣，電路使用了觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端’D’和’CE’，而不是單單一個(gè)’D’端。于是，’clr_cnt’的跳變引起了’D’/’CE’的跳變。

為了說(shuō)明問(wèn)題方便，定義 ‘clr_cnt’ 跳變的時(shí)刻為t0，這個(gè)跳變事件傳播到觸發(fā)器’CE’端的時(shí)刻為t1, 傳播到觸發(fā)器’D’端的時(shí)刻為t2。見(jiàn)圖4。

圖4. “cnt”觸發(fā)器時(shí)序違反的演示

圖4中的場(chǎng)景， t2>t1>t0。 最初的時(shí)候，”cnt”的值為hex”0000”，”cnt+1”的值為hex”0001”。 由于’clk_io’的上升沿落在t1和t2之間， 因此”cnt”錯(cuò)誤地跳變?yōu)閔ex”0001”。

一個(gè)布局布線后的設(shè)計(jì)，一般情況下CE的傳播延時(shí)(t1-t0)不會(huì)等于D的傳播延時(shí)(t2-t0)。由于’clk_io’和’clk_sys’之間的相位關(guān)系是隨機(jī)的, 肯定會(huì)出現(xiàn)’clk_io’的上升沿剛好位于t1和t2之間的情況。這種情況下，觸發(fā)器CNT[15:0]就會(huì)錯(cuò)誤的采樣到”cnt+1”，而不是期望的hex”0000”值。

忽略次要參數(shù)和亞穩(wěn)態(tài)事件，故障出現(xiàn)的概率可以被估算為 (t2-t1)/TCLK_IO 。(t2-t1)越大，故障概率越高。這就是為什么故障出現(xiàn)的概率這么高的原因。

對(duì)于t2=t1的情況(應(yīng)該沒(méi)有可能)，只有當(dāng)’clk_io’采樣到’D’/’CE’的邊沿附近時(shí)，引起亞穩(wěn)態(tài)事件，CNT才會(huì)出錯(cuò)，當(dāng)然這種故障的概率會(huì)低的多。

*** 圖5. “cnt”觸發(fā)器的后仿真時(shí)序違反演示***

解決措施

通過(guò)以上的分析，問(wèn)題是由于信號(hào)跨異步時(shí)鐘域而產(chǎn)生了模糊的時(shí)序關(guān)系，布局布線工具無(wú)法也不可能分析出這種時(shí)序要求，只能從代碼上加以處理。

1. 同步化

一個(gè)很成熟的異步信號(hào)同步化方法就是多拍處理。見(jiàn)圖6。

*** 圖6. 優(yōu)化過(guò)后的代碼***

‘clr_cnt’經(jīng)過(guò)同步化后，’clr_cnt_sync’會(huì)在’clk_io’上升沿之后很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。布局布線工具通過(guò)利用’clk_io’的時(shí)鐘周期，去約束’clr_cnt_sync’到’D’和’CE’的路徑。從而不會(huì)出現(xiàn)”cnt”非零的錯(cuò)誤。

如果’status_in’也是異步的信號(hào)，原理是一樣的，會(huì)引起計(jì)數(shù)的不準(zhǔn)確，只是故障更隱蔽，同樣需要同步化。如果’status_in’是同步的引腳輸入，必須通過(guò)時(shí)序約束告知布局布線工具，’status_in’相對(duì)于’clk_io’的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

2. 禁止CE

有人提出過(guò)一種偽方案，我們來(lái)討論一下。就是約束綜合工具,禁止使用觸發(fā)器的’CE’功能。這樣，觸發(fā)器只有D端口, 且D = ( clr_cnt ) ? “0000” : ( status_in ) ? cnt+1 : cnt 。

當(dāng)’status_in’==0且”cnt”=”0000”時(shí)，D = ( clr_cnt ) ? “0000” : cnt = ”0000”，此時(shí)，’clr_cnt’的跳變不會(huì)引起D端口上出現(xiàn)跳變，也就不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的采樣。

這樣做局限性很大，首先限制了”cnt”=”0000”的狀態(tài)才適用， 如果”cnt”的當(dāng)前狀態(tài)非零，一樣會(huì)有問(wèn)題，只是錯(cuò)誤會(huì)更隱蔽。再者，使用CE端口可以降低邏輯級(jí)數(shù)，改善時(shí)序，節(jié)省面積，實(shí)際上可能的情況下應(yīng)該盡量使用。

因此禁止CE的手段是不能作為解決措施的。