X態(tài)是什么？X態(tài)有什么危害？如何避免X態(tài)的產生？X態(tài)怎么處理？

1. X 態(tài)是什么？

Verilog 和 SV 定義了四種邏輯狀態(tài)：0，1，Z 及 X：

0 為低電平；

1 為高電平；

Z 為高阻態(tài)，可以理解為電路上的引腳懸空；

X 為不定態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)，可能為 0 可能為 1 也可能為 Z，常見于未復位的寄存器、鎖存器或 Memory。

其中，X 只有在仿真時存在，真實電路中不存在。若仿真過程中出現(xiàn)了 X 態(tài)，表明該處存在潛在的設計風險，其有可能會掩蓋 RTL Bug。

2. X 態(tài)是由什么引起的？

RTL 仿真、門仿真及低功耗仿真中均有可能出現(xiàn) X 態(tài)。X 態(tài)出現(xiàn)的原因大致總結如下：

未初始化。未初始化的四態(tài)變量，比如 logic、wire、reg、integer、time 變量；未初始化的寄存器、鎖存器，在被復位或有確定的值被鎖定之前，保持 X 態(tài)。

輸入信號未連接。外部輸入信號未設置初值（尤其 DFT 信號）時為 Z，Z 在模塊內部經過數字邏輯后變 X 態(tài)。

信號多驅或總線爭用。SV 中允許將多個輸入驅動到同一 net 類型上，多多個驅動存在沖突時，net 即表現(xiàn)為 X 態(tài)。

操作結果不定導致的 X 態(tài)。

位選擇或數組索引超范圍返回 X 態(tài)。

邏輯門輸出的 X 態(tài)。SV 自帶原語或用戶自定義原語 (UDP) 支持四態(tài)操作，當這些邏輯門輸入為 X 或 Z 時，輸出 X。

后仿 setup 或 hold time 不滿足，存在 timing violation，使用 notifier 將輸出變?yōu)?X 態(tài)。若只看 timing violation 不輸出 X，則添加 vcs 編譯選項 +no_notifier。

主動引入的 X 態(tài)。設計人為引入的 X 態(tài)，比如在 case 分支中，對于 don’t care 的默認狀態(tài)中賦值為 X 態(tài)；驗證平臺引入的 X 態(tài)，比如存在四態(tài)變量 wire a， assign a = ‘bx。

寄存器或鎖存器掉電后上電。在低功耗仿真中，若無特別設置，即便在 0 時刻對寄存器或鎖存器進行了初始化，當其所在的 Power Domain 掉電后重新上電，其仍然為 X 態(tài)未初始化狀態(tài)，需要在 upf 中設置 reinit。

若 RTL 仿真沒問題，但門仿出現(xiàn) X 態(tài)，可能為以下原因：

信號的輸入輸出方向聲明錯誤

控制信號出現(xiàn) X 態(tài)

3. X 態(tài)有什么危害？

所謂 X 態(tài)傳播，是指 X 態(tài)作為觸發(fā)/控制條件或邏輯輸入時，引起其他邏輯輸出為 X 態(tài)。不同情況下 X 態(tài)危害情況不同：

若 X 態(tài)僅僅是存在，完全不傳播，其沒什么危害；

若 X 態(tài)出現(xiàn)傳播，且電路中針對該 X 態(tài)傳播做了保護，這種有限的 X 態(tài)傳播也沒有危害；

若 X 態(tài)出現(xiàn)傳播但電路中針沒有針對該 X 態(tài)傳播進行保護，那么該 X 態(tài)傳播可能會影響到芯片的正常工作。

4. 如何避免 X 態(tài)的產生？

確保引起 X 態(tài)的條件不成立即可避免 X 態(tài)產生，簡單列幾條：

使用二態(tài)變量。

設計上進行復位操作，控制通路寄存器必選帶復位，數據通路寄存器可以不帶復位。

驗證 TB 中接口輸入信號賦初值。

仿真時利用 initreg 及 initmem 選項對 reg 和 Memory 進行初始化。

RTL model 中添加針對 X 的 assertion，以及時發(fā)現(xiàn) X 態(tài)并消除。

if-else 及 case 中使用確定寫法，或使用 assign+表達式代替if-else及 case。

4.1 if-else/case Vs. assign

RTL 仿真中，if-else/case 及 assign 對 X 態(tài)有不同的行為，如下：

if(x) 會默認 x=0，走 else 分支，不傳播 X 態(tài)。

case(x)，若存在 default 分支，則走 default 分支，否則不會匹配到任何分支。

assign c = sel ? a : b; sel=x，輸出 X，從而將 X 態(tài)傳播出去。

也就是說，if-else 和 case 不能傳遞 X 態(tài)，無法暴露 X 態(tài)傳播問題，這就導致無法在仿真時去發(fā)現(xiàn) X 態(tài)相關的 Bug。相比之下，assign + 條件表達式的方式能夠傳遞 X 態(tài)。此外，if-else/case 為帶有優(yōu)先級的選擇電路，不利于時序和面積，建議使用 assign 代替 if-else 和 case。

有人有疑問：if-else/case 不傳播 X 態(tài)，assign 傳播 X 態(tài)，為什么還要用 assign?——我們不希望出現(xiàn) X 態(tài)，但我們更不希望由于 RTL 寫法原因而掩蓋 X 態(tài)。使用 assign，能夠及時暴露 X 態(tài)問題，從而避免 X 態(tài)被掩蓋所導致的問題。

5. 兩種 X 態(tài)模型：X-optimism 和 X-pessimism

在對待 X 態(tài)問題上有兩種模型：

X-optimism，樂觀派，其認為 X 態(tài)不會被傳播。若檢測到邏輯輸出為 X 態(tài)，將 X 轉換為 0 或 1。

X-pessimism，悲觀派，其認為 X 態(tài)會一直被傳播下去。若檢測到邏輯輸入存在 X，即便輸出結果是確定的，也要輸出 X，從而將 X 態(tài)傳播出去。

在仿真階段，RTL 仿真對 X 態(tài)過于樂觀，RTL 仿真時往往忽略 X 態(tài)并賦一個確定的值，從而無法檢測到 X 態(tài)傳播所引發(fā)的問題；門仿更接近硬件行為，會暴露出 X 傳播問題。

6. 如何檢測 X 態(tài)傳播？

從設計角度，我們希望電路的邏輯輸出都是確定的，以避免非預期的功能缺陷。從驗證角度，我們不喜歡 X 態(tài)，但我們希望能夠發(fā)現(xiàn)并評估電路中所有可能存在的 X 態(tài)，尤其是能夠傳播的 X 態(tài)。

前文提到，RTL 仿真往往對 X 態(tài)過于樂觀，在門仿階段才會暴露出 X 態(tài)傳播問題。相較于 RTL 仿真，門仿的 netlist 易讀性差、仿真速度慢且難以 Debug。鑒于此，vcs 提供了一種 Shift-Left 方案，通過在編譯仿真選項中添加 -xprop 相關選項即可在 RTL 仿真階段對 X 傳播進行檢查。

6.1 Merge Mode 介紹

vcs xprop 檢查有 3 種模式，按照從樂觀到悲觀的順序，分別為：vmerge -> tmerge -> xmerge。其中：

vmerge mode，對待 X 態(tài)最為樂觀，遵守 Verilog 或 VHDL 規(guī)定的 X 態(tài)處理規(guī)則，不存在 X 態(tài)傳播問題。

tmerge mode，處于樂觀與悲觀之間，接近實際硬件行為或門仿，X 態(tài)傳播一段路徑后終結。

xmerge mode，對待 X 態(tài)最為悲觀，比門仿還悲觀，X 態(tài)會一直傳播下去。

不同 Merge Mode 時的 X 態(tài)傳播情況如下表所示：

說到底，-xprop=tmerge/vmerge 是為了擴散 X 態(tài)傳播，把不傳播不定態(tài)的情形，強制傳播出去，從而盡早暴露 bug。

6.2 xprop 命令使用

一般來講，可以在編譯或仿真任一階段指定 -xprop 選項即可開啟 xprop 檢測。

-xprop 示例用法如下：

vcs?xprop[=tmerge|xmerge|xprop_config_file]

其中，xprop_config_file 用以針對特定 instance 進行特定模式的 xprop 監(jiān)測或開關特定 instance 的 xprop 檢測，其示例用法如下：

tree{top}
instance{top.A}{xpropOn};
instance{top.B}{xpropOff};
module{C}{xpropOff};
merge=tmerge;

使能 xprop 后發(fā)現(xiàn)的 X 態(tài)不一定都是 Bug，或者設計已經針對 xprop 做了保護。這種情況下，可以采用 -xprop=xprop_config_file 對不同模塊施以不同的 xprop mode。

注意事項

-xprop 一般不能跟 +vcs+initreg+0/1/random 同時使用，因為 +vcs+initreg+0/1/random 會把 Verilog 的變量、寄存器及 Memory 初始值設置為 0 或 1 等非 X 狀態(tài)，這樣就測不到初始 X 態(tài)了。

若未指定 -xprop，默認為 vmerge，即默認不存在 X 態(tài)傳播問題，也不進行檢查。

若定義了 -xprop 但未指定具體模式，默認為 tmerge，即采用接近真實電路的 X 態(tài)傳播模式并進行檢查。

6.3 xprop 報告查看

vcs 在編譯、仿真兩個階段均提供了相關手段來檢查相關 instance 的 xprop 開關情況：

若在編譯階段使能了 xprop，編譯完成之后會生成一個 xprop.log 來報告 if/case 狀態(tài)、always 邊沿觸發(fā)等條件的 xprop 檢查開關情況。

simv 仿真階段添加仿真選項 -report=xprop[+exit] 能生成 xprop_config.report，便于在仿真后對 xprop 檢查情況進行確認。若采用 -report=xprop+exit，在檢測完 xprop 狀態(tài)情況后后立即終止仿真。

7. 什么階段進行 xprop 檢測？

X 態(tài)傳播不能不做，但也不宜早做。一方面，在驗證初期調 datapath 或 sanity 期間，我們并不想看到太多 X 態(tài)傳播，我們希望對待 X 態(tài)傳播更樂觀一點；另一方面，帶有 xprop 的仿真為 4 態(tài)仿真，毫無疑問，4 態(tài)仿真比不帶 xprop 的 2 態(tài)仿真更慢。

那么應該在什么階段開啟 xprop 檢測呢？以下是推薦的方案：

RTL 仿真前期不開啟 xprop，以盡快調通 sanity/smoke case 及主要 datapath。

RTL 仿真后期建議開啟 xprop，提前排除部分 X 態(tài)。

網表中沒有 always 塊，xprop 對門仿不起作用。門仿的一大作用就是排除 X 態(tài)傳播導致的芯片功能問題，尤其是控制通路上的 X 態(tài)傳播。

8. 如何用 Verdi Trace X？Trace 到什么地方停止？

我們說的 Trace X 是指追蹤 X 態(tài)產生的源頭。利用 Verdi 能夠自動追蹤組合邏輯、鎖存器、觸發(fā)器等的 X 態(tài)傳播的源頭。Verdi Trace X 有兩種途徑：一種是在 Verdi GUI 內 Trace，一種是直接利用 Verdi 的 traceX 工具直接 Trace。

8.1 Verdi GUI 內 Trace

若 X 態(tài)出現(xiàn)傳播，通常能在波形里找到很多 X 態(tài)信號。多個 X 態(tài)的源頭，此時我們可以選擇其中一個信號進行跟蹤。

假設在波形中已經發(fā)現(xiàn)了 X 態(tài)，該如何 Trace X 呢？兩種常用方式：

8.1.1 手動 Trace X

把出現(xiàn) X 態(tài)的信號 A 拖到 nWave 窗口

nWave 窗口 Cursor 點在 X 態(tài)信號 0/1 -> X 跳變沿的地方

在源代碼窗口左鍵雙擊該信號 A，追蹤其 Driver

檢查 A 的 Driver (控制信號、觸發(fā)條件、邏輯輸入等) 是否存在 X 態(tài)

重復以上步驟，直到找到 X 態(tài)產生的源頭

8.1.2 自動 Trace X

把出現(xiàn) X 態(tài)信號 A 拖到 nWave 窗口

nWave 窗口Cursor 點在 X 態(tài)信號 0/1 -> X 跳變沿的地方

nWave 窗口右鍵單擊該信號的波形，或源代碼窗口右鍵單擊該信號

選擇 Trace X，彈出 Trace X Settings 窗口

窗口勾選所需的 Trace X 相關設置。默認 View Options 為 Flow View，此處我們也可以改為 nWave View

左鍵單擊 Trace，開始 Trace X，Trace 結果一方面顯示在 Flow/nWave 窗口內，一方面顯示在 tTraceXRst 窗口內（Note 提示 X 的大致出現(xiàn)原因）

8.2 Verdi 的 traceX 工具

除了在 GUI 內進行 X 態(tài)追蹤，Verdi 還提供了 traceX 工具來追蹤 X 態(tài)。traceX 用法如下：

設置變量打開 traceX 工具，setenv VERDI_TRACEX_ENABLE

采用以下命令追蹤 X 態(tài)

未提供 X 態(tài)信號列表：traceX -lca -ssf xxx.fsdb

提供了 X 態(tài)信號列表：traceX -lca -ssf xxx.fsdb -signal_file signal.list若需要手段加載 database，還需要添加選項 -dbdir simv.daidir

查看 trx_report.txt 查看 Trace 結果

9. X 態(tài)怎么處理？

如果 X 態(tài)沒有傳播，無需處理。

如果 X 態(tài)發(fā)生傳播，但后續(xù)有 X 態(tài)保護電路，無需處理。

如果 X 態(tài)發(fā)生傳播，且后續(xù)沒有 X 態(tài)保護電路，需要從根源上消除 X 態(tài)。

10. 其他注意事項

assertion 中應規(guī)避 X -> 0/1 形成的跳變沿

審核編輯：劉清