芯片設(shè)計(jì)中常見的跨時(shí)鐘處理錯(cuò)誤及解決方法

孫遠(yuǎn)航，李彧，倪曉波，孫增振

（網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，211100）

0 引言

隨著芯片的集成度的提高，其接口種類越來越多功能也變得越來越強(qiáng)大。近年來芯片設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，突出表現(xiàn)為時(shí)鐘越來越快，時(shí)鐘域多，跨時(shí)鐘交互越來越復(fù)雜。如果這些跨時(shí)鐘CDC(Clock Domain Crossing)的地方處理得不當(dāng)，那么對于整個(gè)芯片來說可能是災(zāi)難性的。而隨著近年來芯片研發(fā)的成本越來越大，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失也是非常可觀的。所以這就使得在芯片設(shè)計(jì)時(shí)必須很謹(jǐn)慎地去分析與對待異步信號跨時(shí)鐘域的問題，在設(shè)計(jì)時(shí)就將問題考慮充分，避免這類問題影響芯片整體的功能及可靠性。本文重點(diǎn)介紹幾種典型的CDC 處理錯(cuò)誤，并給出相應(yīng)的處理方法。

1 亞穩(wěn)態(tài)與常見的處理方法

1.1 亞穩(wěn)態(tài)分析

亞穩(wěn)態(tài)指的是觸發(fā)器無法在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間達(dá)到一個(gè)確定的狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，我們既無法預(yù)測其輸出的電平，也無法預(yù)測其何時(shí)才能穩(wěn)定地輸出正確的電平[1]。

在亞穩(wěn)態(tài)期間，觸發(fā)器輸出一些中間級電平，并且這種電平可以延通路傳播，如圖1(a)所示，其產(chǎn)生的原因是由于信號在時(shí)鐘觸發(fā)沿的判決窗口沒有保持穩(wěn)定，導(dǎo)致觸發(fā)器中鎖存信號的電容充電不足，從而使得觸發(fā)器需要花很長的時(shí)間才能使輸出信號達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電平，使電路“反應(yīng)”變遲鈍。同步器是處理 CDC 問題時(shí)所采用的主要器件，其通常由兩個(gè)級聯(lián)的觸發(fā)器組成[2~3]，如圖1(b) 所示。

圖1 亞穩(wěn)態(tài)及同步器示意圖

1.2 常見的跨時(shí)鐘處理方法

常用的CDC 處理方法，分別是信號同步器[4]、多周期路徑MCP(Multi-Cycle Path)同步法、握手協(xié)議[5~6]以及異步FIFO[7~9]。

這4 種信號跨時(shí)鐘域的方法在我們的設(shè)計(jì)中都有使用，具體使用哪一種方法需要對應(yīng)具體情況進(jìn)行分析，在對于跨時(shí)鐘信號是單bit 信號的時(shí)候推薦使用信號同步器來實(shí)現(xiàn)；在對應(yīng)跨時(shí)鐘信號是總線仲裁類或者緩變化bus 型數(shù)據(jù)時(shí)推薦使用多周期路徑同步法或者握手協(xié)議來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)需要跨時(shí)鐘的是主數(shù)據(jù)路徑時(shí)，例如一些接口協(xié)議需要做速率四配時(shí)，推薦使用異步 FIFO 來處理[8~9]。

2 常見的 CDC 處理錯(cuò)誤及解決方案

前面一節(jié)主要介紹了一些信號數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘的方法，下面介紹一些在設(shè)計(jì)中常見的跨時(shí)鐘處理錯(cuò)誤，并分析其錯(cuò)誤的原因和改正的方法[8~9]。

2.1 組合邏輯輸出跨時(shí)鐘

組合邏輯輸出容易由于競爭現(xiàn)象等原因出現(xiàn)毛刺，而這些毛刺再經(jīng)過同步器跨時(shí)鐘處理時(shí)可能會導(dǎo)致一些邏輯功能上的錯(cuò)誤，如圖2(a)所示。比較好的處理方式是先將信號進(jìn)行組合處理之后再用寄存器在源時(shí)鐘域下將數(shù)據(jù)拍出，保證數(shù)據(jù)進(jìn)入同步器之前的路徑是“干凈”的。如圖2(b)所示，這樣就可以避免毛刺對同步器造成不好的影響。

圖2 組合邏輯跨時(shí)鐘處理

2.2 同一信號在多處作跨時(shí)鐘處理

在設(shè)計(jì)中有時(shí)會對同一個(gè)信號在多處作跨時(shí)鐘處理，這是非常危險(xiǎn)的。表面上看每一路同步路徑都是安全的，但是由于需要跨時(shí)鐘的信號扇出到不同同步器之間的走線延時(shí)不一致，如圖3(a)所示，td這個(gè)延時(shí)會導(dǎo)致同樣的一個(gè)信號到達(dá)不同同步器第一級寄存器的時(shí)刻不一致，便導(dǎo)致不同同步器第一級寄存器是否會進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的不確定，以及從亞穩(wěn)態(tài)退出時(shí)輸出的信號電平值不確定。這與我們的設(shè)計(jì)預(yù)期是不一致的，如果忽略了這種潛在的威脅，那么對我們設(shè)計(jì)的功能可能會產(chǎn)生不良的影響。特別是對于一個(gè)要扇出到多個(gè)子系統(tǒng)的異步信號來說，這種同步后的不確定性可能會導(dǎo)致子系統(tǒng)對同一信號的處理存在差異導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功能錯(cuò)誤，并且這種錯(cuò)誤在實(shí)際定位時(shí)是很難被定位到，也是很容易被忽略的。

圖3 同一信號在兩處作跨時(shí)鐘處理

解決這類問題的方法是，對于多個(gè)子系統(tǒng)都可能用到的異步信號在一個(gè)地方統(tǒng)一作跨時(shí)鐘處理。然后再將這個(gè)同步過的信號扇出到多個(gè)模塊中去，這樣就能夠保證多個(gè)子模塊中所用到的跨時(shí)鐘信號是同步的，保證功能的同步性，如圖3(b)所示。

2.3 信號跨時(shí)鐘后有邏輯耦合

信號跨時(shí)鐘后有邏輯耦合，這類問題在我們的設(shè)計(jì)中也時(shí)有出現(xiàn)，如圖4(a)所示。其帶來的主要影響和上一類問題類似，兩個(gè)異步信號在做完跨時(shí)鐘處理之后他們之間的時(shí)序關(guān)系有可能與我們預(yù)期的不一致，從而導(dǎo)致功能上的錯(cuò)誤，所以這類問題在我們的設(shè)計(jì)中也應(yīng)該避免。

圖4 信號跨時(shí)鐘后有邏輯耦合

圖5 全握手協(xié)議

其解決方法是首先在異步時(shí)鐘域中將相互有邏輯關(guān)系的信號“合并”為單 bit 信號，再將這個(gè)單bit 信號做跨時(shí)鐘域處理如圖4(b)所示。

2.4 握手協(xié)議中請求與響應(yīng)路徑寄存器級數(shù)不一致

握手協(xié)議是處理總線類信號跨時(shí)鐘域的方法之一，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單且十分安全，收發(fā)側(cè)都要根據(jù)對端發(fā)出的請求或響應(yīng)信號來進(jìn)行bus 型信號跨時(shí)鐘域處理。如圖5所示全握手協(xié)議的演示過程[6]。

全握手協(xié)議的特點(diǎn)是，在收發(fā)兩端在發(fā)送請求或者終止請求之前都需要等待對端的回應(yīng)。全握手協(xié)議在異步數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘的安全性能方面很強(qiáng)健，因?yàn)橥ㄟ^檢測請求與響應(yīng)信號，每一側(cè)電路都清楚地知道對端的狀態(tài)。但是這種方式也有其不足，那就是完成所有交互的整個(gè)過程要花費(fèi)很多長鐘周期，數(shù)據(jù)信號跨時(shí)鐘的延時(shí)比較大。所以在具體使用時(shí)會對握手路徑進(jìn)行“優(yōu)化”，減少反饋路徑的寄存器級數(shù)是一種優(yōu)化方法，如圖6 所示，其中反饋路徑遷移一級，減少了反饋路徑的延時(shí)。但是這種優(yōu)化是存在局限性的，那就是發(fā)送側(cè)的時(shí)鐘頻率必須小于接收側(cè)時(shí)鐘頻率。如果接收側(cè)時(shí)鐘頻率大于接收側(cè)的3 倍以上則會出現(xiàn)接收側(cè)還未將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)采樣發(fā)送側(cè)就將數(shù)據(jù)更新覆蓋的情況。類似的這些問題在設(shè)計(jì)和優(yōu)化CDC 路徑時(shí)很容易被忽視的。這就需要我們在寫代碼之前仔細(xì)分析CDC 路徑并且考慮所設(shè)計(jì)的方法對兩端時(shí)鐘頻率是否敏感，如果所設(shè)計(jì)的方法對于應(yīng)用場景有特定的限制那么在代碼中也應(yīng)該有相應(yīng)的注釋，以防止后面別人改寫代碼時(shí)沒有考慮全面導(dǎo)致功能錯(cuò)誤。

圖6 握手協(xié)議反饋路徑“前移”

3 對CDC 信號處理的一些建議

3.1 對CDC 信號進(jìn)行有效的標(biāo)識

對于一些異步時(shí)鐘以及跨時(shí)鐘的數(shù)據(jù)、地址以及使能信號在命名時(shí)要明確的顯示出其所在的時(shí)鐘域，例如mac_clk、pcs_clk、mac_data，mac_addr 等。

3.2 盡量做到每個(gè)module 中只使用一個(gè)時(shí)鐘

這樣做的好處是在使用一些靜態(tài)時(shí)鐘分析工具時(shí)可以更方便快捷的進(jìn)行時(shí)序分析。當(dāng)然這個(gè)建議也是相對性的，比如一些top 級的模塊不可能做到完全一個(gè)時(shí)鐘域。

3.3 對 CDC 信號進(jìn)行分類

在設(shè)計(jì)中要對所涉及的CDC 信號進(jìn)行分類，它們是多bit 還是單bit；多bit 是否能化簡合并為單bit；是控制信號還是數(shù)據(jù)信號；對兩側(cè)時(shí)鐘頻率變化是否敏感；跨時(shí)鐘數(shù)據(jù)是緩變的還是突發(fā)的等等。劃分得越細(xì)越好，對于這些不同種類的CDC 信號采取相對應(yīng)的方法進(jìn)行處理。

3.4 謹(jǐn)慎對待繼承下來的代碼

從前面提到的對握手協(xié)議優(yōu)化的案例可以看出，對CDC相關(guān)的代碼進(jìn)行繼承和優(yōu)化時(shí)需要特別的謹(jǐn)慎，因?yàn)槿绻褂铆h(huán)境的大前提發(fā)生了變化（例如跨時(shí)鐘場景從慢到快變?yōu)閺目斓铰┛赡軙斐衫^承或優(yōu)化的代碼無法達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了 RTL 設(shè)計(jì)中的 CDC 問題，分析了亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因以及解決的方法。重點(diǎn)介紹了在設(shè)計(jì)中常用的4 種信號跨時(shí)鐘的處理方法，并分析了一些設(shè)計(jì)中處理異步信號時(shí)常見的錯(cuò)誤并給出了相應(yīng)的改進(jìn)意見，最后給出了幾個(gè)處理CDC 信號的實(shí)用建議。CDC 問題在設(shè)計(jì)中雖然不起眼，但是業(yè)界中很多失敗的案例都是由它引起的，特別是現(xiàn)在先進(jìn)設(shè)計(jì)中可能會用到先進(jìn)工藝、邏輯規(guī)模又異常大，從而導(dǎo)致成本非常高。同時(shí)也正是由于這些問題不起眼，在驗(yàn)證與時(shí)序分析階段有時(shí)很難定位和發(fā)現(xiàn)這類問題，所以對于RTL 開發(fā)來說，作為芯片設(shè)計(jì)的最前端應(yīng)該把這類問題消滅在源頭，這對于時(shí)間和成本來說都是最劃算的。