由于時(shí)鐘域交匯處理不當(dāng)所導(dǎo)致罕見(jiàn)的比特翻轉(zhuǎn)

本篇博文中的分析是根據(jù)真實(shí)客戶問(wèn)題撰寫的，該客戶發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)罕見(jiàn)的比特翻轉(zhuǎn)， 本篇博文旨在演示用于縮小根本原因范圍以及修復(fù)此問(wèn)題的部分調(diào)試技巧。

最終發(fā)現(xiàn)，此問(wèn)題是由于時(shí)鐘域交匯 （CDC） 處理不當(dāng)所導(dǎo)致的，在 report_methodology 和 report_cdc 報(bào)告中高亮顯示了相關(guān)處理錯(cuò)誤。

這是使用方法論報(bào)告系列博文的第 4 部分。如需閱讀整個(gè)系列中的所有博文，請(qǐng)點(diǎn)擊如下標(biāo)題查看。

第1部分：時(shí)序以滿足，但硬件功能出現(xiàn)錯(cuò)誤

第2部分：方法違例對(duì)于QoR的影響

第3部分：時(shí)序已滿足，但硬件中存在 DDR4 校準(zhǔn)失敗

問(wèn)題說(shuō)明：

此客戶在現(xiàn)場(chǎng)部署了數(shù)萬(wàn)個(gè)基于 Zynq-7000 系列的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都是使用 Vivado 2013.4 開(kāi)發(fā)的，其最終客戶報(bào)告稱大量卡上出現(xiàn)數(shù)據(jù)包損壞，調(diào)查顯示在所有數(shù)據(jù)包損壞案例中，設(shè)計(jì)中的相同位置都發(fā)生了比特翻轉(zhuǎn)。

根本原因分析：

為了縮小范圍，我們首先要求客戶提供網(wǎng)表中這些寄存器的位置：

我們要求客戶提供 DCP 以便我們使用各項(xiàng)報(bào)告來(lái)審查設(shè)計(jì)。

雖然通常隨機(jī)問(wèn)題是由電源問(wèn)題所導(dǎo)致的，但我們同時(shí)還要求客戶提供操作期間的 VCCINT/VCCAUX/VCCIO 測(cè)量方法，以便測(cè)量電平和噪聲，如（賽靈思答復(fù)記錄 62181-點(diǎn)擊閱讀原文可查看）中的硬件調(diào)試最佳實(shí)踐中所述。

我們還要求其提供板級(jí)原理圖 （schematic） 以復(fù)查使用的去耦電容是否足夠。

很快我們就把電源問(wèn)題排除在原因之外。

收到 DCP 后，我們首先使用最新版本的 Vivado 運(yùn)行

report_timing_summary、report_methodology、report_drc 和 report_cdc。

有多個(gè)問(wèn)題馬上顯現(xiàn)了出來(lái)。

最重要的發(fā)現(xiàn)與可疑 FF 相關(guān)，report_methodology LUTAR-1 檢查標(biāo)記出了這些可疑 FF：LUT 驅(qū)動(dòng)異步復(fù)位警告

FF 具有異步復(fù)位，由邏輯級(jí)數(shù)深度為 2 的路徑驅(qū)動(dòng)：

其危險(xiǎn)性在于 LUT（紅色箭頭）可出現(xiàn)毛刺并觸發(fā)意外復(fù)位。

第二項(xiàng)最嚴(yán)重的發(fā)現(xiàn)與時(shí)鐘域交匯和約束有關(guān)。

Report_cdc 發(fā)現(xiàn)約有 40000 條路徑采用非推薦 CDC 架構(gòu)：

不安全的時(shí)鐘域交匯可能導(dǎo)致翻轉(zhuǎn) FF 下游或上游出現(xiàn)問(wèn)題，并且可能成為所觀測(cè)到的行為的真正根源。

就約束而言，report_methodology 的“TIMING-24：僅最大延遲數(shù)據(jù)路徑已被覆蓋”檢查發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)嚴(yán)重違例。

在移除 set_clock_groups -asynchronous 約束并將其替換為 set_max_delay -datapath_only 和時(shí)鐘對(duì)的最小時(shí)鐘周期后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的時(shí)序違例：-5.8ns，原因是異步時(shí)鐘之間的邏輯級(jí)數(shù)達(dá)到 11。

第二輪審查發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中幾乎所有復(fù)位上都存在偽路徑約束，這些約束是為了幫助達(dá)成時(shí)序收斂而添加的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們知道這是非常危險(xiǎn)的：如果狀態(tài)機(jī)的各個(gè)位在不同時(shí)間脫離復(fù)位，則可能進(jìn)入非法狀態(tài)、無(wú)法恢復(fù)并且導(dǎo)致設(shè)計(jì)運(yùn)行錯(cuò)誤。

即使復(fù)位為異步，取消復(fù)位仍需達(dá)成時(shí)序收斂，因此永遠(yuǎn)不能忽略復(fù)位上的時(shí)序收斂，您應(yīng)該盡可能明確自己實(shí)際是否需要復(fù)位，因?yàn)椴皇褂脧?fù)位可節(jié)省寶貴的布線資源，并且使 SR 管腳可用于控制置位的重映射，從而減小設(shè)計(jì)規(guī)模，因?yàn)檫壿嫼瘮?shù)可部分映射到這些 SR 管腳。

修復(fù)所報(bào)告的問(wèn)題（LUT 驅(qū)動(dòng)異步復(fù)位、CDC、CDC 約束）并在現(xiàn)場(chǎng)部署一些新固件后，這些罕見(jiàn)的比特翻轉(zhuǎn)就沒(méi)有再出現(xiàn)。

結(jié)論：

Vivado 報(bào)告功能（方法論、CDC）的進(jìn)步使我們得以成功調(diào)試并解決罕見(jiàn)的比特翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。

無(wú)論何時(shí)遇到任何疑問(wèn)，都應(yīng)該首先考慮使用最新版本的 Vivado 來(lái)重新審查設(shè)計(jì)，最新版本的 Vivado 中包含 CDC 分析和最新的方法論檢查，這些都是進(jìn)行原始設(shè)計(jì)所沒(méi)有的。

責(zé)任編輯：haq