詳解RTL設計中多時鐘域的處理方法

【 一 】

數字IC系統邏輯設計這部分主要介紹兩個方面，一個是RTL的設計基礎;另一方面是verilog基本語法。這一篇文章主要介紹一下RTL的設計基礎。

RTL設計都是采用同步電路設計方式，了解同步電路的設計要求是RTL設計的第一步。下圖是一個同步電路的示例：

其中，組合邏輯實現設計所需要的功能，寄存器用于暫存數據用時鐘控制。只有當時鐘進行有效跳變時，才將新的數據所存起來，否則數據保持原值。時鐘相當于同步電路中的指揮。時鐘一般是由晶振產生，或者由外部輸入，如果需要還需要用鎖相環進行倍頻、相移等操作。

下面對寄存器做一個介紹，一個寄存器的結構如下圖所示：

寄存器的功能如下圖所示：

由圖可得，該寄存器在時鐘的跳變沿鎖存數據，然后數據會保持直到下一個跳變沿。寄存器要正常工作，必須保證D端的數據變化與時鐘的有效沿不能距離太近，否則有可能鎖存錯誤的數據。在綜合庫中，規定了數據變化端跟時鐘跳變沿最短的時間要求，即建立時間約束和保持時間約束。建立時間規定，在時鐘沿到達前的某段時間內，數據必須穩定;保持時間定義了在時鐘沿之后的某段時間之后，數據才能發生變化。

對于一個寄存器來說，除了數據端與時鐘端有時序要求。異步復位端與時鐘端也有要求。假設一個寄存器是已不復位的，復位信號低電平有效。當復位信號是低電平時，寄存器被初始化。當異步復位信號跳高時，寄存器在時鐘跳變沿鎖存新的數據。如果異步復位信號跳高的時刻距離時鐘有效沿太近，寄存器可能繼續保持復位狀太，也可能鎖存新的數據。因此有必要定義時鐘有效沿與異步復位無效沿之間的時序要求，這就是recovery/removal的時序要求，如圖所示;

寄存器中建立時間/保持時間、recovery/removal的時序要求， 對設計的最大組合邏輯延時、時鐘樹的構造、復位樹的構造都提出了要求。復位樹、時鐘樹一般由后端工具進行處理。對RTL設計者來說，最需關注的是建立時間的問題。設計中的時序違例通過靜態時序分析工具可以檢查出來。

在IC系統中， 復位的目的是為了將芯片強制到一個已知的狀態。同步復位與異步復位都能達到這個目的。兩者的差別在于：同步復位需要時鐘有效沿到達時才能起作用，而異步復位不需要。如下，是同步復位電路:

同步復位的優點在于：

1)在采用基于周期的仿真器場合，同步復位簡單

2)寄存器可以濾掉復位上的毛刺

缺點：

1)需要時鐘，在某些場合帶來不便。假如設計中包含三態總線，總線上接著許多寄存器。當上電后，晶振還未起振，鎖相環還未穩定，這時候沒有時鐘，所以復位還沒有起作用，因此會導致總線上發生沖突。只有增加上電復位電路才能解決此問題。

2)采用同步復位，復位成為路徑組合邏輯的一部分，由于復位的負載比較大，因此會使得復位樹的延遲比較大，從而導致在路徑上的延遲比較大。

異步復位的優點是不需要時鐘，且復位不會影響到路徑延時。缺點是：復位上的毛刺不能被由它復位的寄存器過濾掉;復位的無效沿與時鐘之間存在時序要求。

將同步復位和異步復位優點結合起來：給出了一種異步復位，同步釋放的復位方法，如下圖所示：

該電路的原理是：當復位信號有效時，兩個同步器都為低，因此同步器的輸出立即變低，而不管此時是否存在時鐘。當復位信號變高后，經過時鐘跳變沿后才能將高電平鎖存到同步器的輸出，也就是說，同步器的輸出的無效沿是與時鐘同步的。

【 二 】

這篇文章主要講一下RTL設計中多時鐘域的處理，之前在異步FIFO設計中已經講到這個問題，這篇更全面詳細的介紹一下多時鐘域的處理。

多時鐘域之所以難以處理，是因為在兩個時鐘域之間傳遞信號時，不可避免地會出現建立時間/保持時間違例的問題。寄存器會鎖存錯誤的數據，引起功能錯誤。

現考慮在兩個時鐘域間傳遞1位信號的情況。如下圖是多時鐘域傳遞一位信號的示例：

在這個例子中，aclk與bclk是兩個異步時鐘。由aclk時鐘域產生的數據adat要送到bclk的時鐘域。由于bclk與aclk不同步，所以會出現這種情形：在一定時刻，adat的變化沿距離bclk的采樣沿非常接近，不能滿足建立時間和保持時間的要求。這樣， 寄存器可能會進入亞穩態。下圖是這種情況下的波形圖：

bdat1的值會傳遞給其他模塊。在實際芯片中，在bdat1處于亞微態的時候，有些模塊會認為自己收到的是“1”， 有些會認為是“0”，這種不一致會導致功能錯誤，如下圖所示：

這種情形需要采用下圖所示的同步器來避免：

采用同步器之后，其波形如下圖所示：

下面看一下相關的多位信號的傳遞，同步器適用于在多時鐘域間傳遞1位信號，但是對于相關的多位信號，采用這種技術仍然會出現問題。如下圖所示，在多時鐘域間傳遞兩位信號：

在這個例子中，有兩個信號b-load和b-en由bclk時鐘域傳遞到aclk時鐘域。這兩個信號相關。我們假設在某個時鐘周期內， b-load與b-en同時有效，那么這兩個信號分別經過同步器后，得到的波形如下所示：

由于b-load信號與b-en信號的延遲不同，兩者的上升沿之間有一些偏移。如果同步器的采樣時鐘正好也位于兩個信號變化沿之間， 則采樣后的信號有可能會相差一個周期。這種情況下，可以將兩個信號進行邏輯與操作變成一個信號送到同步器。但是很多時候，無法對傳遞信號進行簡單的合并。這個時候就可以考慮先將這些信號變成格雷碼，然后通過同步器來傳遞。由于格雷碼在一個周期內僅有一位發生變化，這樣經過同步器之后就可以得到正確的結果。

上述方案都是基于同步器的，依據的原理是降低寄存器處于亞穩態的概率。另外一種方案是用多組寄存器來存儲信號，過一段時間再進行讀操作。在開始讀操作的時候，數據早已經穩定下來，就不會出現建立時間/保持時間違例的情況。這也就是基于異步fifo在多時鐘減傳遞信號的基本原理。關于異步FIFO的設計，已經講過，在此不再贅述。

下面講一下時鐘切換電路，有些設計中需要進行時鐘切換。動態地將始終從高頻切換到低頻或者由低頻切換到高頻，切換過程中會出現毛刺。時鐘上的毛刺是非常致命的，可能會導致功能錯誤。要避免這種問題可以采取兩種方法，一種是在時鐘切換時，進入復位，當切換完成后，復位結束;另一種方法是采用時鐘切換電路，如下圖所示，這種切換電路跟鎖存器的設計有異曲同工之妙。

原文標題：帶你科普RTL設計基礎

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審核編輯：湯梓紅