0 引言

    近些年，FPGA設(shè)計(jì)已由過去的譯碼、編碼等簡(jiǎn)單電路升級(jí)為各種復(fù)雜接口電路、通訊協(xié)議甚至專用算法處理器的實(shí)現(xiàn)，因此，單時(shí)鐘設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不能滿足要求，多個(gè)時(shí)鐘域并存已非常普遍。這必然帶來信號(hào)跨時(shí)鐘域問題，如傳輸丟失、產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致功能錯(cuò)誤等。然而在實(shí)際中，如何發(fā)現(xiàn)跨時(shí)鐘域問題是一個(gè)難點(diǎn)，本文提出一種跨時(shí)鐘域的驗(yàn)證方法，對(duì)日常工作中發(fā)現(xiàn)及解決跨時(shí)鐘域問題有著重要意義。

1 信號(hào)跨時(shí)鐘域帶來的問題分析

    信號(hào)跨時(shí)鐘域是影響FPGA設(shè)計(jì)的可靠性、安全性的重要因素，究其根本原因都是由于亞穩(wěn)態(tài)^[1]造成。經(jīng)過深入的分析歸納，信號(hào)跨時(shí)鐘域問題（CDC問題）主要分為亞穩(wěn)態(tài)的傳播、數(shù)據(jù)丟失和跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合時(shí)引起功能出錯(cuò)3類。

1.1 亞穩(wěn)態(tài)的傳播

    如圖1所示，信號(hào)A違反了觸發(fā)器的建立-保持時(shí)間，導(dǎo)致輸出B產(chǎn)生振蕩，并持續(xù)一段時(shí)間，所以當(dāng)clk_B的第二個(gè)有效沿到來時(shí)，B有可能穩(wěn)定到一個(gè)中間電壓，也有可能繼續(xù)震蕩，因此就會(huì)給系統(tǒng)帶來以下的問題：

    (1)不同的扇出會(huì)把不穩(wěn)定的B判定為不同的值，這樣就使得系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)未知的狀態(tài)，導(dǎo)致某些功能失效。

    (2)造成至少一個(gè)周期的傳播延時(shí)，導(dǎo)致時(shí)序問題。

1.2 數(shù)據(jù)丟失

    觸發(fā)器的輸入A從clk_A時(shí)鐘域(較快時(shí)鐘域)進(jìn)入clk_B時(shí)鐘域(較慢時(shí)鐘域)時(shí)，由于穩(wěn)定的時(shí)間不夠長造成沒有被clk_B時(shí)鐘域采樣到，從而丟失正確的數(shù)據(jù)，如圖2所示。

1.3 跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合（Re-convergence）時(shí)引起功能出錯(cuò)

    當(dāng)跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合時(shí)會(huì)引起電路功能錯(cuò)誤。由于亞穩(wěn)態(tài)的影響會(huì)造成接收到的CDC信號(hào)發(fā)生不可預(yù)測(cè)且可變的延遲，這些不同延遲的信號(hào)在重新聚合時(shí)就可能造成采樣失敗，從而導(dǎo)致功能錯(cuò)誤。圖3為跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合的問題模型。這種設(shè)計(jì)路徑常見于多位控制總線信號(hào)的跨時(shí)鐘域傳播，跨時(shí)鐘域再聚合波形分析如圖4所示。

2 跨時(shí)鐘域驗(yàn)證方法

    對(duì)于跨時(shí)鐘域驗(yàn)證而言，目前業(yè)界并沒有統(tǒng)一的、成熟的驗(yàn)證方法，這里主要結(jié)合多年FPGA設(shè)計(jì)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，加入對(duì)業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)的應(yīng)用，提出一種多模式、互補(bǔ)型的跨時(shí)鐘域驗(yàn)證方法。該方法從不同角度、多方位、分階段對(duì)FPGA進(jìn)行檢查，是一種以靜態(tài)分析為主要技術(shù)手段，輔助以動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證的驗(yàn)證方法，跨時(shí)鐘域驗(yàn)證的基本流程如圖5所示。

2.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

    結(jié)構(gòu)驗(yàn)證是跨時(shí)鐘域驗(yàn)證整個(gè)流程中的主要環(huán)節(jié)，它是一種以靜態(tài)分析為主要技術(shù)手段的形式驗(yàn)證方法，通過對(duì)FPGA設(shè)計(jì)綜合后存在數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域傳播的路徑進(jìn)行分析，檢查是否存在跨時(shí)鐘域問題。

    (1)檢查是否存在同步電路

    數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域傳播時(shí)(無論是從快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域，或是從慢到快時(shí)鐘域)，由于兩個(gè)時(shí)鐘域互不相關(guān)，均存在亞穩(wěn)態(tài)的可能性。因此需插入同步電路模塊。沒有同步電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    (2)檢查同步電路的正確性

    目前對(duì)于單bit信號(hào)的同步，主要有電平同步器、邊沿同步器及脈沖同步器3種形式。但是無論哪種形式，同步電路的核心為兩級(jí)寄存器同步。下面列出幾種在FPGA設(shè)計(jì)中常見的無效同步電路形式，如圖7～圖11所示。

    (3)檢查是否屬于多位信號(hào)的跨時(shí)鐘域問題

    對(duì)于多位信號(hào)，主要是以握手協(xié)議、異步fifo的交互方式來完成信號(hào)的跨時(shí)鐘域傳播。多bit信號(hào)在跨時(shí)鐘域傳播時(shí)不能簡(jiǎn)單地采用同步每位信號(hào)來完成。這會(huì)帶來多位數(shù)據(jù)的一致性問題，造成目的時(shí)鐘域采樣錯(cuò)誤。錯(cuò)誤電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。

    (4)檢查是否屬于跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合問題^[4]

    跨時(shí)鐘域信號(hào)再聚合應(yīng)與多位數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域的問題有所區(qū)分，問題電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，源時(shí)鐘域可以是一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘域，不同信號(hào)經(jīng)過目的時(shí)鐘域同步后由組合邏輯再聚合，再聚合而成的信號(hào)在使用時(shí)會(huì)對(duì)后級(jí)電路造成威脅。其與多位時(shí)鐘跨時(shí)鐘域問題的解決辦法均為在源時(shí)鐘域的輸入端引入多位編碼方式，即格雷編碼。

    通過目前的驗(yàn)證情況看，以上電路結(jié)構(gòu)形式基本可以涵蓋90%以上的設(shè)計(jì)形式。

2.2 協(xié)議檢查

    協(xié)議檢查是對(duì)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的有力補(bǔ)充，可以發(fā)現(xiàn)通過電路結(jié)構(gòu)檢查無法發(fā)現(xiàn)的跨時(shí)鐘域問題，這里的協(xié)議檢查仍然以靜態(tài)分析為主要技術(shù)手段。協(xié)議檢查的方法是通過對(duì)上級(jí)系統(tǒng)及任務(wù)需求等方面的深入分析，確認(rèn)問題設(shè)計(jì)路徑上信號(hào)的輸入形式、變化快慢、保持時(shí)間等參數(shù)，從而確定是否存在跨時(shí)鐘域問題。

    典型的協(xié)議檢查例如數(shù)據(jù)由快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域傳播的情況。如圖13的分析可知，當(dāng)數(shù)據(jù)由快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域傳播時(shí)，如果數(shù)據(jù)保持時(shí)間不夠則目的時(shí)鐘域無法采樣到數(shù)據(jù)，這種情況會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。這時(shí)就需要結(jié)合信號(hào)在實(shí)際電路中約定的協(xié)議來分析判斷跨時(shí)鐘域信號(hào)在源時(shí)鐘域是如何變化的，每次變化保持的時(shí)間是多長。

    經(jīng)協(xié)議分析檢查之后修改電路如圖14所示，使得源時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)保持兩個(gè)時(shí)鐘周期從而使目的時(shí)鐘域能夠穩(wěn)定采樣，避免數(shù)據(jù)丟失的問題，相比圖2波形發(fā)生的變化如圖15所示。當(dāng)然，這種修改適用于目的時(shí)鐘域的時(shí)鐘頻率小于兩倍源時(shí)鐘域的情況。

2.3 CDC動(dòng)態(tài)仿真

    前面的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和協(xié)議檢查的驗(yàn)證方法都是靜態(tài)分析的方法，除此之外還可以采用動(dòng)態(tài)仿真的方法對(duì)跨時(shí)鐘域問題進(jìn)行驗(yàn)證。這里的動(dòng)態(tài)仿真與功能驗(yàn)證中的仿真有很大區(qū)別，CDC動(dòng)態(tài)仿真主要是引入斷言的方法針對(duì)數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域時(shí)可能存在問題的時(shí)序點(diǎn)進(jìn)行仿真。CDC仿真要在前面靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，在已知電路結(jié)構(gòu)存在跨時(shí)鐘域問題的前提下，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)斷言，驗(yàn)證時(shí)序的正確性。

    CDC動(dòng)態(tài)仿真分為以下3個(gè)步驟：(1)提取屬性，(2)斷言設(shè)計(jì)，(3)斷言仿真。提取屬性和斷言設(shè)計(jì)這兩步可先由工具針對(duì)常見的CDC設(shè)計(jì)形式自動(dòng)產(chǎn)生，這些自動(dòng)產(chǎn)生的CDC協(xié)議檢測(cè)器在仿真環(huán)境下運(yùn)行，最后通過調(diào)用仿真環(huán)境（testbench）檢查設(shè)計(jì)的功能是否正確。很多情況下，對(duì)于所需驗(yàn)證的時(shí)序點(diǎn)，需要人工進(jìn)行斷言的設(shè)計(jì)，這也是這個(gè)環(huán)節(jié)的難點(diǎn)。

3 總結(jié)

    本文主要對(duì)目前FPGA設(shè)計(jì)中存在的跨時(shí)鐘域問題進(jìn)行了深入的分析總結(jié)，提出了一種多模式、互補(bǔ)型的跨時(shí)鐘域驗(yàn)證方法。詳細(xì)講解了如何分層次、多方位地進(jìn)行跨時(shí)鐘域驗(yàn)證以確認(rèn)設(shè)計(jì)中的亞穩(wěn)態(tài)問題，為發(fā)現(xiàn)目前FPGA產(chǎn)品研制中的跨時(shí)鐘域問題提供了依據(jù)，后續(xù)會(huì)對(duì)方法中的斷言設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 周偉.FPGA跨時(shí)鐘域亞穩(wěn)態(tài)研究[J].電子世界，2012(3)：87-89.

[2] Mike Stein，Paradigm Works.Crossing the abyss：asynchronous signals in a synchronous world[].EDN magazine，2003.

[3] San Jose.Real intent introduces CDC verification for altera customers.Real Intent Inc.2008.3.

作者信息:

王  菲，張莎莎，王  茜

（中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所，陜西 西安710119）