全面剖析數(shù)字電路中的復位設計

隨著數(shù)字化設計和SoC的日益復雜，復位架構也變得非常復雜。在實施如此復雜的架構時，設計人員往往會犯一些低級錯誤，這些錯誤可能會導致亞穩(wěn)態(tài)、干擾或其他系統(tǒng)功能故障。本文討論了一些復位設計的基本的結構性問題。在每個問題的最后，都提出了一些解決方案。

復位域交叉問題

1. 問題

在一個連續(xù)設計中，如果源寄存器的異步復位不同于目標寄存器的復位，并且在起點寄存器的復位斷言過程中目標寄存器的數(shù)據(jù)輸入發(fā)生異步變化，那么該路徑將被視為異步路徑，盡管源寄存器和目標寄存器都位于同一個時鐘域，在源寄存器的復位斷言過程中可能導致目標寄存器出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。這被稱為復位域交叉，其中啟動和捕捉觸發(fā)的復位是不同的。

在這種情況下，C寄存器和A寄存器的起點異步復位斷言是不同的。在C寄存器復位斷言過程中而A觸發(fā)器沒有復位，如果A寄存器的輸入端有一些有效數(shù)據(jù)交易，那么C寄存器的起點異步復位斷言引起的異步變更可能導致目標A寄存器發(fā)生時序違規(guī)，從而可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

圖1：復位域交叉問題

在上面的時序圖中，當有一些有效數(shù)據(jù)交易通過C1進行時，rst_c_b獲得斷言，導致C1發(fā)生異步改變，w.r.t clk從而使QC1進入亞穩(wěn)態(tài)，這可能導致設計發(fā)生功能故障。

2. 解決方案

* 使用異步復位、不可復位觸發(fā)器或D1觸發(fā)器POR.

* 如果復位源rst_c_b是同步的，那么則認為來自C_CLR --> Q的用于從rst_c_b_reg -->C_CLR-->C_Q1-->C1-->A_D進行設置保持檢查的時序弧能夠避免設計亞穩(wěn)態(tài)。然而，通常在默認情況下 C_CLR-->Q時序弧在庫中不啟用，需要在定時分析過程中明確啟用。

* 在目的地(A)使用雙觸發(fā)器同步器，以避免設計中發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)傳播。然而，設計人員應確保安裝兩個觸發(fā)器引入的延遲不會影響預期功能。

由于組合環(huán)路導致復位源干擾

1. 問題

在SoC 中，全局系統(tǒng)復位在設備中組合了軟件或硬件生成的各種復位源。LVD復位、看門狗復位、調(diào)試復位、軟件復位、時鐘丟失復位是導致全局系統(tǒng)復位斷言的一些示例。 然而，如果由于任何復位源導致的全局復位斷言是完全異步的，且復位發(fā)生源邏輯被全局復位清零，那么設計中會產(chǎn)生組合環(huán)路，這會在該復位源產(chǎn)生干擾。組合路徑的傳播延遲會根據(jù)不同的流程、電壓或溫度以及干擾范圍而不同。如果設計中使用了組合信元用于復位斷言和去斷言，那么也會導致模擬中出現(xiàn)紊亂情況。這被視為設計人員的非常低級的錯誤。

圖2：復位源干擾(基本問題)

在上圖中，當復位源SW_Q斷言時，會導致rst_b斷言，這是全局復位?，F(xiàn)在，如果全局復位本身被用于清除 “SW_Q” 復位斷言，那么會在設計中在SW_Q輸出和全局復位時產(chǎn)生干擾。此外，在模擬中，這會導致紊亂情況，因為復位源斷言試圖通過該組合邏輯去斷言。

然而，如果復位源(SW_Q)在復位狀態(tài)機(觸發(fā)器的SET/CLR輸入)為全局復位斷言被異步使用，那么復位干擾可能能夠復位整個系統(tǒng)(通過斷言全局復位)，因為全局系統(tǒng)復位去斷言不僅僅與復位源去斷言相關。當該復位源(有干擾)被同步使用或在觸發(fā)器D輸入使用的情況下可能依然有一個問題。干擾范圍可能無法在至少一個周期內(nèi)保持穩(wěn)定，因此這不會被目標觸發(fā)器捕獲。此外，該復位源不能被用作任何電路的時鐘(除了脈沖捕捉電路)，因為它可能違反時鐘寬度。

圖3：復位源干擾(問題2)

在上圖中，復位源SW_Q將出現(xiàn)干擾。雖然如果復位源SW_Q的干擾在某個觸發(fā)器被捕捉作為復位事件狀態(tài)(在S)或用于其他目的，全局復位輸出(rst_b)都沒有干擾，但它將導致時序違反/亞穩(wěn)態(tài)，或根本不可能被捕獲。

2. 解決方案

* 設計人員永遠都不應犯下上述(圖2)低級錯誤。

* 如果復位實現(xiàn)如圖3所示，那么設計人員應保證復位源(在該示例中為SW_Q)總是在觸發(fā)器的SET/CLR輸入使用，而不在D或CLK使用。

* 解決這個問題的最好的方法是在復位狀態(tài)機中使用之前注冊該復位源。 雖然它將導致時鐘依靠全局復位斷言，但是無論如何，如果沒有時鐘，該內(nèi)部復位(SW_Q)都不會斷言。請參見圖4.

圖4：解決方案1

此外，用戶也可以擴展SW_Q斷言，然后再在設計中使用它，復位斷言與時鐘無關。 請參見圖5.

圖5：解決方案2

復位路徑的組合邏輯

1. 問題(I)

如果組合邏輯輸入大約在同一時間發(fā)生變化，那么使用復位路徑中的組合邏輯可能產(chǎn)生干擾，這可能在設計中觸發(fā)虛假復位。下面是一個RTL代碼，它會在設計中意外復位。

assign module_a_rstb = !((slave_addr[7:0]==8‘h02 & write_enable & (wdata[7:0]==00))

always @(posedge clk or negedge module_rst_b)

if(!module_rst_b) data_q <= 1’b0;

else data_q <= data_d;

在上面的示例中，slave_addr，write_enable和wdata改變它們的值 w.r.t system clock，使用靜態(tài)時序分析，設計人員可以保證在目標觸發(fā)器的設置時間窗口之前這些信號在一個時鐘周期內(nèi)的穩(wěn)定性。然而，在該示例中，這些信號直接用作觸發(fā)器的異步清零輸入。

因此，即使在特定的時間slave_addr[7:0]在邏輯上將其值從“00000110”改為 “01100000”，但由于組合邏輯的傳播延遲(凈延遲和信元延遲)它可以用一個序列“00000110 --> 00000010 --> 00000000 --> 01000000 --> 01100000”生成過渡。

在這段時間里，salve_addr為“00000010”，如果wdata[7:0]始終為零且“write_enable” 已經(jīng)被斷言，那么它將在module_rst_b創(chuàng)建一個無用脈沖，從而導致虛假復位。

圖6：復位路徑的組合邏輯

2. 解決方案

首先注冊組合輸出，然后再將其用作復位源(如圖7所示)。

圖7：復位路徑的組合邏輯解決方案

3. 問題(II)

在上面的示例中，復位路徑的組合邏輯解決方案并不完善。如果組合邏輯輸入大約在同一時間發(fā)生變化，那么它可能在設計中觸發(fā)虛假復位。然而，如果組合邏輯的輸入信號變化相互排斥，那么它可能不會引起任何設計問題。例如，測試模式和功能模式相互排斥。因此復位路徑的測試復用是有效的設計實踐。

然而，對于某些情況，變化相互排斥的靜態(tài)信號或信號可能會導致設計出現(xiàn)虛假復位觸發(fā)。下面的示例描述了此類設計可能出現(xiàn)問題。

圖8：復位路徑的組合邏輯(問題 2)

在上面的示例中，多路復用結構用于復位路徑，同時進行RTL編碼。其中“mode” 是一個控制信號，不頻繁改變，而mode0_rst_b和mode_1_rst_b是兩個復位事件，然而在合成RTL時，在門控級它被分解成不同的復雜的組合(And-Or-Invert[AOI])信元。雖然在邏輯上它相當于一個多路復用器，但由于不同的信元和凈延遲，每當信號“mode”從 1-->0變化時，final_rst_b都會產(chǎn)生干擾。