時(shí)鐘域交叉分析方法

片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一是不同的塊在獨(dú)立時(shí)鐘上運(yùn)行。通過處理器總線，存儲器端口，外圍總線和其他接口集成這些塊可能很麻煩，因?yàn)楫?dāng)異步接口未正確同步時(shí)可能導(dǎo)致不可預(yù)測的行為。

檢查正確的同步通常是一個耗時(shí)的手動設(shè)計(jì)過程。通常，時(shí)鐘域交叉（CDC）的許多可能問題被忽視，導(dǎo)致主要的下游設(shè)計(jì)問題。

市場上出現(xiàn)了許多工具來識別CDC的問題。不幸的是，這些工具經(jīng)常報(bào)告數(shù)百個明顯的問題，其中許多通常是虛假的。這僅用于結(jié)構(gòu)性CDC分析。如果要更深入地檢查，必須在設(shè)計(jì)中添加斷言。此時(shí)，錯誤錯誤的數(shù)量會增加，通過它們所需的時(shí)間也會增加，并找到真正的問題點(diǎn)。

有一種方法可以減少這個過程的痛苦。它需要明確的同步規(guī)則和CDC分析方法，該方法可以與設(shè)計(jì)中不可避免的ECO（工程變更單）順利運(yùn)行。此外，您的CDC工具必須支持輕松拒絕漏報(bào)的方法，并支持不需要在每個設(shè)計(jì)ECO上重新生成的豁免技術(shù)。

同步規(guī)程

同步中的挑戰(zhàn)是有很多方法可以做到這一點(diǎn)。雖然每種方法都有優(yōu)勢，但在設(shè)計(jì)中 - 以及在設(shè)計(jì)組織內(nèi) - 臨時(shí)使用不同技術(shù)會使審查過程復(fù)雜化。

今天沒有工具可以完全按下CDC驗(yàn)證?？偸切枰欢ǔ潭鹊脑O(shè)計(jì)智慧來解釋結(jié)果并考慮系統(tǒng)級的含義。必須對各種同步技術(shù)做出這些判斷將不必要地使審查過程復(fù)雜化。

許多成功的公司已經(jīng)認(rèn)識到這一點(diǎn)，并且只是強(qiáng)制要求必須通過預(yù)先設(shè)計(jì)的單元格或使用一小組預(yù)先批準(zhǔn)的技術(shù)來執(zhí)行同步。雖然這可能會略微限制創(chuàng)作自由，但同步質(zhì)量的信心可以彌補(bǔ)這種損失。

應(yīng)該預(yù)先批準(zhǔn)的技術(shù)取決于他們必須支持的應(yīng)用范圍。作為最嚴(yán)格的級別，可以強(qiáng)制要求所有同步通過預(yù)定義的同步單元進(jìn)行。

最常見的同步單元支持單比特，通用總線和快速到慢速的數(shù)據(jù)同步。更輕松的方法允許手工制作這個邏輯，但仍然需要從一組有限的樣式中繪制插入的邏輯。在后一種情況下，通常需要添加變體 - 同步器的同步復(fù)位或半周期移位以降低元穩(wěn)定性或數(shù)據(jù)丟失的可能性。圖1a和1b顯示了兩種常見的同步技術(shù)。

圖1a - 單位亞穩(wěn)態(tài)同步

圖1b - 多位同步

在選擇CDC工具時(shí)，務(wù)必確保該工具支持設(shè)計(jì)中所需的所有技術(shù)。更復(fù)雜的工具允許設(shè)計(jì)人員基于各種同步樣式定義方法，包括最常用的技術(shù)，用戶命名的同步單元和用戶定義的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將與域交叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行模式匹配。

虛假域名交叉

許多時(shí)鐘域交叉通常是由復(fù)位或配置信號引起的（見圖2）。雖然技術(shù)上可以在這些準(zhǔn)靜態(tài)信號上發(fā)生同步問題，但它將是一次性事件，并且由于此后信號是有效靜態(tài)的，因此可以在設(shè)備的大部分正常運(yùn)行時(shí)間內(nèi)有效地忽略它們。

消除這些錯誤路徑的最佳方法是使用與合成或靜態(tài)時(shí)序分析相同的技術(shù) - 聲明錯誤路徑。例如，您的CDC工具可能表明rst_n占交叉的50％以上，而配置[0]和配置[1]則占25％。如果您不想查看這些情況，可以通過錯誤路徑約束輕松地抑制它們：

cdc_false_path-from rst_n
cdc_false_path-from config [*]

錯誤交叉的另一個來源是功能錯誤的路徑。作者不知道今天會自動消除功能錯誤路徑的任何CDC工具，可能因?yàn)樵摲治隹赡芊浅０嘿F并且可以說除了設(shè)計(jì)者通過一些簡單約束指定的值之外幾乎沒有增加價(jià)值。

例如，考慮使用CPU主機(jī)和多個I/O接口從機(jī)（如PCI或USB）驅(qū)動的總線?？偩€仲裁器的設(shè)計(jì)使得從機(jī)可以與CPU通信，反之亦然，但從機(jī)無法直接與從機(jī)通信。但是，CDC分析可能會顯示usb_ck和pci_ck等域之間的域交叉。同樣，使用錯誤路徑約束可以很容易地拒絕這些：

cdc_false_path-從use_ck到pci_ck
cdc_false_path-從pci_ck到usb_ck

在某些情況下，通過指定直通點(diǎn)可以進(jìn)一步優(yōu)化錯誤路徑：

cdc_false_path-from（state）-through（thru-point）-to（end）

這是必要的改進(jìn)，當(dāng)確定從/到對在功能上是有效的，但只能通過某些路徑。

圖2 - 假時(shí)鐘域交叉的例子

FIFO同步

虛假域交叉的另一個有趣的來源可以是FIFO同步器中的推斷內(nèi)存。通常的做法是在將每個指針同步到相對的域之前對讀和寫指針進(jìn)行灰度編碼，以便比較和生成滿標(biāo)志和空標(biāo)志。在讀數(shù)據(jù)信號周圍可能發(fā)生微妙且很少提到的錯誤交叉問題。想想如何在RTL中描述這一點(diǎn)：

總是@（posedge read_clk）
如果（read_en == 1'b1）read_data <=> =>

always @（posedge write_clk）
如果（write_en == 1'b1）mem [write_addr] <=> =>

這是一個非常合理的FIFO核心描述除了CDC分析將檢測寫入和讀取時(shí)鐘之間的域交叉和“read_data”之外。

事實(shí)上，這個域名交叉是虛假的，這是一個有趣的原因。雖然理論上可以從與寫入相同的地址進(jìn)行讀取（同時(shí)），但大多數(shù)同步器設(shè)計(jì)會在讀取和寫入之間強(qiáng)制執(zhí)行一些延遲，從而確保在同一地址中不會發(fā)生寫入和讀取。相同的周期（任何一個時(shí)鐘）。這種延遲確保讀取數(shù)據(jù)至少在幾個周期內(nèi)有效地準(zhǔn)靜態(tài)，因此不能成為域交叉。

一個好的CDC工具可以自動檢測和拒絕這些情況。

握手同步

一種非常常見且穩(wěn)健的同步多個數(shù)據(jù)信號的方法是握手技術(shù)，如圖3所示。這很受歡迎，因?yàn)槲帐旨夹g(shù)可以輕松管理時(shí)鐘頻率的變化，同時(shí)最大限度地減少交叉口的延遲。但是，握手邏輯比標(biāo)準(zhǔn)同步結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，大多數(shù)工具都不會自動識別。在這些情況下，傳統(tǒng)的隱式CDC分析將報(bào)告所有交叉數(shù)據(jù)信號的非同步域交叉。

圖3 - 握手同步是時(shí)鐘域交叉中常用的技術(shù)

各種正式工具都有屬性（斷言）檢查握手結(jié)構(gòu)的特性 - 例如，在目標(biāo)寄存器完成數(shù)據(jù)捕獲之前，不得取消置位REQ。但是所有這些技術(shù)都要求設(shè)計(jì)人員手動識別握手并為每個這樣的結(jié)構(gòu)插入這些斷言。

雖然檢查這些屬性有好處，但這仍然給設(shè)計(jì)人員帶來了確保所有握手確實(shí)已被分析的主要負(fù)擔(dān)。同樣，這些結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致錯誤的CC報(bào)告，只能通過手動檢查來消除。

一些最新的CDC工具可以自動檢測一大類握手結(jié)構(gòu)，大大減少了CDC報(bào)告中的漏報(bào)。這也允許工具對握手結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析和隱式檢查，完全不需要設(shè)計(jì)人員定義和插入這些檢查。

第三方IP

今天幾乎所有的設(shè)計(jì)都包含一些外部知識產(chǎn)權(quán)（IP），無論是內(nèi)部開發(fā)還是商業(yè)收購。對于如圖4所示的IP，除了進(jìn)入的檢查檢查之外，重復(fù)檢查內(nèi)部域交叉和同步技術(shù)幾乎沒有價(jià)值。在大多數(shù)情況下，您無法更改IP的內(nèi)部，因此任何報(bào)告的問題都只是額外的噪音。更重要的是分析圍繞該IP和其他設(shè)計(jì)的CDC，其中IP域和設(shè)計(jì)域之間的交互可能導(dǎo)致新問題。

某些CDC工具提供約束來屏蔽指定IP內(nèi)部的所有域交叉報(bào)告，同時(shí)仍報(bào)告其他邏輯與這些IP之間的交叉。這使得檢查更容易，更有效。

圖4 - 與IP塊相關(guān)的時(shí)鐘域交叉點(diǎn)

評論和ECO分析

即使已經(jīng)消除了所有這些雜散源，也可能需要檢查大量可能不同步的域交叉。這些可能來自在復(fù)位或配置信號意義上不是準(zhǔn)靜態(tài)的信號，但已知在使用之前“足夠長時(shí)間”是穩(wěn)定的。

一旦審查并批準(zhǔn)此類案件，除非您選擇，否則無需再次查看。處理這些案件的一種實(shí)用方法是放棄，在RTL代碼內(nèi)部或外部應(yīng)用，以標(biāo)記案件已經(jīng)過審查和批準(zhǔn)。

易于使用和靈活的點(diǎn) - 和如圖5所示，單擊豁免方法優(yōu)于“正式放棄”一種或多種違反任何類型的行為。應(yīng)該智能地應(yīng)用這些豁免，適應(yīng)RTL代碼的更改，因此很少需要更新它們。如果需要，這些豁免和他們壓制的CDC仍然可以進(jìn)行設(shè)計(jì)審查或最終通過，以重新驗(yàn)證所有域名交叉點(diǎn)。

圖5 - 豁免違規(guī)的點(diǎn)擊式方法

功能分析

CDC的功能分析是自然延伸到結(jié)構(gòu)分析。每個識別的同步結(jié)構(gòu)帶有一個或多個功能要求。例如，考慮一個常見的多路復(fù)用循環(huán)同步器，如圖6所示。

圖6 常用的多路復(fù)用再循環(huán)同步器

多路復(fù)用器驅(qū)動目標(biāo)域中的寄存器，并且僅在選擇時(shí)允許數(shù)據(jù)從源域傳遞，否則多路復(fù)用器將寄存器輸出值再循環(huán)。選擇“sel”必須與指定域同步。

到目前為止，這是一項(xiàng)結(jié)構(gòu)性檢查。在這種情況下所需的功能檢查是當(dāng)選擇“sel”變高時(shí)源數(shù)據(jù)信號“data”是穩(wěn)定的。由于選擇和數(shù)據(jù)信號是自動識別的，因此應(yīng)該是自動檢查。

此類中的其他檢查包括快速到慢速域跨越保持時(shí)間，灰色編碼檢查，握手檢查等等。這些檢查不會減少，也可能增加報(bào)告的問題數(shù)量，但在準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)識別基礎(chǔ)上這樣做，大大降低了誤報(bào)的可能性。