0 引言

    隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜程度也在不斷的增加。在系統(tǒng)級(jí)芯片(System on Chip，SoC)中數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸也更多地在多個(gè)時(shí)鐘域間進(jìn)行即跨時(shí)鐘域（Clock Domain Crossing，CDC）傳輸。但因?yàn)楦鱾€(gè)時(shí)鐘在頻率、相位上的差異，可能會(huì)因?yàn)榻r(shí)間或保持時(shí)間不滿足要求，而造成亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。在輸出端可能會(huì)出現(xiàn)毛刺、震蕩或某一固定的值，有可能會(huì)導(dǎo)致邏輯誤判。甚至有可能輸出0~1之間的電壓值進(jìn)而導(dǎo)致下一級(jí)亞穩(wěn)態(tài)，即亞穩(wěn)態(tài)的傳播，邏輯誤判將導(dǎo)致功能性錯(cuò)誤，而亞穩(wěn)態(tài)的傳播則擴(kuò)大了故障面^[1]。為了避免亞穩(wěn)態(tài)及其產(chǎn)生的危害，常見(jiàn)的解決方法是通過(guò)CDC同步電路來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。但是同步電路不一定能正確地將數(shù)據(jù)同步過(guò)去，還需要保證電路的同步結(jié)構(gòu)正確并且滿足相應(yīng)的傳輸協(xié)議。當(dāng)分散傳播的CDC信號(hào)經(jīng)過(guò)同步電路同步后，再重新進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算時(shí)，會(huì)有可能因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)而導(dǎo)致信號(hào)提前或延遲到達(dá)，從而使邏輯運(yùn)算后的結(jié)果與期望值不符，即重匯聚問(wèn)題。對(duì)于CDC同步電路的驗(yàn)證，傳統(tǒng)的模擬仿真無(wú)法精確地模擬亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，而且靜態(tài)時(shí)序分析也不能對(duì)其時(shí)序進(jìn)行分析^[2]。

    因此國(guó)內(nèi)不少研究人員對(duì)其進(jìn)行了研究討論。文獻(xiàn)[3]中提出了基于SpyGlass的靜態(tài)驗(yàn)證流程，對(duì)同步電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論，但沒(méi)有涉及到傳輸協(xié)議和重匯聚問(wèn)題。梁駿等人在文獻(xiàn)[4]中對(duì)CDC同步電路進(jìn)行了重匯聚問(wèn)題分析，沒(méi)有系統(tǒng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和傳輸協(xié)議驗(yàn)證。國(guó)防科技大學(xué)羅莉等人在文獻(xiàn)[5]中對(duì)CDC同步電路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢查和傳輸協(xié)議驗(yàn)證，但沒(méi)有對(duì)重匯聚問(wèn)題進(jìn)行分析。對(duì)于上述問(wèn)題，現(xiàn)在并沒(méi)有一套完整且通用的驗(yàn)證方法。

    本文在基于傳統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)和驗(yàn)證仿真工具基礎(chǔ)上，形成的一整套完整且通用的CDC同步電路驗(yàn)證方法。首先通過(guò)對(duì)CDC電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析來(lái)保證電路同步結(jié)構(gòu)的正確，再通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行基于斷言的CDC協(xié)議驗(yàn)證來(lái)保證同步電路正確地傳輸了數(shù)據(jù)，最后通過(guò)亞穩(wěn)態(tài)注入分析來(lái)判斷保證不會(huì)出現(xiàn)重匯聚問(wèn)題。

1 驗(yàn)證方法的論述

    對(duì)CDC傳輸信號(hào)的驗(yàn)證包括結(jié)構(gòu)分析、協(xié)議驗(yàn)證、亞穩(wěn)態(tài)注入分析三個(gè)方面，圖1的驗(yàn)證流程圖描述了三個(gè)驗(yàn)證方面的邏輯關(guān)系和驗(yàn)證條件。具體的驗(yàn)證方法步驟在下面小節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 CDC結(jié)構(gòu)分析

    常用的跨時(shí)鐘域同步電路是通過(guò)兩級(jí)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行同步，CDC結(jié)構(gòu)分析是為了保證設(shè)計(jì)中的CDC同步電路有同步結(jié)構(gòu)，并且兩級(jí)觸發(fā)器中沒(méi)有組合邏輯，也沒(méi)有被另外使用。本文的CDC結(jié)構(gòu)分析是基于傳統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)工具，在Quartes II或ISE等工具中，先經(jīng)過(guò)綜合或全編譯，再生成RTL原理圖。

    然后可以在生成的RTL原理圖中采用下列步驟來(lái)判斷是否正確地生成電路同步結(jié)構(gòu)：

    (1)在生成的原理圖中，識(shí)別出輸入時(shí)鐘域和采樣時(shí)鐘域。

    (2)判斷在時(shí)鐘域交界處有無(wú)同步結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有同步結(jié)構(gòu)需要重新返回修改RTL代碼。

    (3)判斷電路同步結(jié)構(gòu)中的兩級(jí)觸發(fā)器中有無(wú)其他組合邏輯，是否被另外的使用。如果兩級(jí)觸發(fā)器中有其他的組合邏輯，或者被另外的使用時(shí)，需返回修改RTL代碼。

    CDC結(jié)構(gòu)分析保證了同步結(jié)構(gòu)正確后，需再進(jìn)行協(xié)議驗(yàn)證。從原理結(jié)構(gòu)中判斷同步后有無(wú)組合邏輯運(yùn)算，如果有組合邏輯運(yùn)算還需進(jìn)行亞穩(wěn)態(tài)注入分析。

1.2 基于斷言的CDC協(xié)議驗(yàn)證

    結(jié)構(gòu)分析完成后僅能說(shuō)明電路結(jié)構(gòu)正確，并不能表明數(shù)據(jù)可以正確傳輸，在工程實(shí)際中，跨時(shí)鐘域同步電路傳輸時(shí)都有其相應(yīng)的傳輸協(xié)議，只有滿足相應(yīng)的傳輸協(xié)議時(shí)，數(shù)據(jù)才可以正確地傳輸過(guò)去。本文驗(yàn)證電路是否滿足其相應(yīng)傳輸協(xié)議的方法是通過(guò)基于斷言的CDC協(xié)議驗(yàn)證。基于斷言的CDC協(xié)議驗(yàn)證是通過(guò)采用System Verilog語(yǔ)言來(lái)描述CDC電路要滿足的協(xié)議所需信號(hào)的屬性。在模擬仿真中，如果所檢查的屬性不符合正確傳輸?shù)膮f(xié)議時(shí)，斷言就會(huì)宣告失敗。基于斷言的驗(yàn)證技術(shù)可以在工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)在一般的驗(yàn)證中難以發(fā)現(xiàn)的時(shí)序和事件序列相關(guān)問(wèn)題。如果斷言宣告失敗后，需修改RTL代碼，直到滿足傳輸協(xié)議為止。

1.3 亞穩(wěn)態(tài)注入分析

    傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了同步電路的同步，可以將數(shù)據(jù)正確地同步過(guò)去了，但可能因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)而使輸出數(shù)據(jù)延遲或提前到達(dá)。此時(shí)，如果輸出端的輸出數(shù)據(jù)再進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算時(shí)，會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)的提前或延遲輸出而導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果與預(yù)期不符即重匯聚問(wèn)題。所以本文采用在同步之后的數(shù)據(jù)處隨機(jī)注入延遲的方法來(lái)驗(yàn)證當(dāng)電路有亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題時(shí)，是否可能會(huì)產(chǎn)生重匯聚問(wèn)題。如果注入隨機(jī)延遲后，經(jīng)過(guò)組合邏輯后的數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)期不符，則表明此電路可能會(huì)產(chǎn)生重匯聚問(wèn)題。需要修改RTL代碼，直到亞穩(wěn)態(tài)注入分析通過(guò)為止。

2 實(shí)例分析

    本部分的測(cè)試案例以實(shí)際工程中的一個(gè)跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸模塊為例，此傳輸模塊數(shù)據(jù)由頻率為166.7 MHz的時(shí)鐘域傳輸?shù)筋l率為100 MHz時(shí)鐘域。模塊的輸出端出現(xiàn)了非預(yù)期的數(shù)據(jù)，現(xiàn)以第一節(jié)的驗(yàn)證方法對(duì)跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 CDC結(jié)構(gòu)分析

    在進(jìn)行CDC結(jié)構(gòu)分析時(shí)，以Quartus II 軟件為例，進(jìn)行分析驗(yàn)證。在Quartus II 軟件中通過(guò)Tools-> Netlist Viewers->RTL Viewer生成RTL原理圖。可以得到如圖2所示原理圖。

    在RTL原理圖中可以分析得出該跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸模塊是由兩個(gè)DMUX模塊把數(shù)據(jù)同步過(guò)去后再進(jìn)行邏輯運(yùn)算。現(xiàn)采用1.1節(jié)的方法對(duì)異步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸模塊RTL原理圖進(jìn)行討論：

    (1)輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘域clk1，頻率為166.7 MHz，同步采樣時(shí)鐘域clk2，頻率為100 MHz。

    (2)可以看到在采樣時(shí)鐘域中有同步結(jié)構(gòu)—兩級(jí)觸發(fā)器（en2_1模塊和en2_2模塊）。

    (3)兩級(jí)觸發(fā)器模塊中均無(wú)其他組合邏輯。這表明該跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸模塊的同步結(jié)構(gòu)正確，為了保證數(shù)據(jù)正確地同步過(guò)去，還需進(jìn)行CDC協(xié)議驗(yàn)證。從原理圖中可以看到數(shù)據(jù)同步過(guò)去后，有組合邏輯運(yùn)算，所以還需進(jìn)行亞穩(wěn)態(tài)注入分析。

2.2 基于斷言的CDC協(xié)議驗(yàn)證

    數(shù)據(jù)要從兩個(gè)DMUX模塊中正確地傳輸過(guò)去，需要滿足相應(yīng)的傳輸協(xié)議：輸入數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)鐘域的選擇信號(hào)有效期間一直保持穩(wěn)定，且同步到接收時(shí)鐘域后，在接收時(shí)鐘域的輸入數(shù)據(jù)需在接收時(shí)鐘域的選擇信號(hào)穩(wěn)定期間一直保持穩(wěn)定。

    其斷言協(xié)議如下：

    property en1_p1;

    @(posedge clk1) $rose(en1)|-> en1[*(`T2/`T1+1)];

    endproperty

    property en1_p;

    @(posedge clk1)  (en1 ##1 en1) |-> $stable(datin1);

    endproperty

    property en2_p;

    @(posedge clk2)  (en2 ##1 en2)|-> $stable(datin1);

    endproperty

    其中T1為clk1的時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期長(zhǎng)度為6 ns。T2為clk2的時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期長(zhǎng)度為10 ns。第一段代碼表示同步信號(hào)en1至少保持兩個(gè)采樣時(shí)鐘長(zhǎng)度的穩(wěn)定，第二段代碼表示的是輸入數(shù)據(jù)datain1在發(fā)送時(shí)鐘域的選擇信號(hào)en1有效期間一直保持穩(wěn)定，第三段代碼表示輸入數(shù)據(jù)在接收時(shí)鐘域的選擇信號(hào)en2有效期間一直保持穩(wěn)定。

    由圖4可以看到失效斷言數(shù)量為0，通過(guò)了傳輸協(xié)議，表明數(shù)據(jù)可以正確地傳輸過(guò)去。

2.3 亞穩(wěn)態(tài)注入分析

    兩個(gè)DMUX模塊分別將數(shù)據(jù)datain1和數(shù)據(jù)datain2同步過(guò)去后，再進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算。根據(jù)本文1.3節(jié)的方法，采用隨機(jī)注入延遲的方法是隨機(jī)注入一個(gè)延遲的采樣時(shí)鐘。可從下面的波形圖中看到當(dāng)有一個(gè)采樣時(shí)鐘的隨機(jī)延遲時(shí)，組合邏輯運(yùn)算后的輸出數(shù)據(jù)會(huì)與預(yù)期的輸出有不相符的地方。圓圈圈出部分為錯(cuò)誤的運(yùn)算結(jié)果。

    因此，當(dāng)電路中有亞穩(wěn)態(tài)的情況發(fā)生時(shí)，盡管經(jīng)過(guò)同步后，數(shù)據(jù)正確地傳輸出來(lái)，但當(dāng)進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算時(shí)，可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)的延遲而使邏輯運(yùn)算后的結(jié)果和預(yù)期不符。由此可以得知此跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸模塊可能出現(xiàn)重匯聚問(wèn)題。因此需要修改此設(shè)計(jì)模塊的RTL代碼，然后重新進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

    本文介紹了基于傳統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)和仿真工具的一整套對(duì)信號(hào)CDC傳輸?shù)尿?yàn)證方法。從電路結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議、亞穩(wěn)態(tài)注入三個(gè)循序漸進(jìn)的角度進(jìn)行了論述。并使用此套方法對(duì)一個(gè)跨時(shí)鐘域傳輸模塊進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了本文所提出的方法能在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理地方，提高設(shè)計(jì)的可靠性和效率。

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作者信息：

王  鵬1，尤  然2，劉旭紅2，范毓洋1，田  毅1

（1.中國(guó)民航大學(xué) 民用航空器適航審定技術(shù)與管理研究中心 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300；

2.中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津300300）