簡(jiǎn)述CDC當(dāng)中最典型錯(cuò)誤案例

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(shuō)，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(guò)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(shuō)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(lái)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(guò)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(méi)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(jiàn)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(méi)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(méi)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(wèn)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(guò)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(lái)。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(wèn)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）

編輯：jq