【芯片驗(yàn)證】異步電路碎碎念（十二）基于靜態(tài)隨機(jī)函數(shù)的單比特跨時(shí)鐘同步器

倒序?yàn)g覽 · 發(fā)表于 2024-11-22 12:13:00

在上一篇文章里我們嘗試了第二種在靜態(tài)模塊中構(gòu)建可控隨機(jī)的方案，接下來我們延續(xù)這個(gè)思路，來嘗試編寫一個(gè)能夠模擬亞穩(wěn)態(tài)隨機(jī)恢復(fù)的單比特信號(hào)同步器，那么開始逐一的拆解并解決問題吧。要聲明一下，下面的代碼只是個(gè)人探究并沒有在實(shí)際工程中實(shí)踐過，因此難免有錯(cuò)誤和漏洞。接口module名為bit_async，既然是單比特的同步器那么接口自然就是6根線，分別以i_*和o_*來標(biāo)記時(shí)鐘域：
module bit_async #(
//parameter
)( /*AUTOARG*/
// Outputs
o_data,
// Inputs
i_clk, i_rst_n, i_data, o_clk, o_rst_n
);
// ----------------------------------------------------------------
// Interface declare
// ----------------------------------------------------------------
input  i_clk;
input  i_rst_n;
input  i_data;
input  o_clk;
input  o_rst_n;
output o_data;可控隨機(jī)第一步自然是做用來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的function，思路就是另一篇博客中說的方式，通過%m來差異化每一個(gè)inst隨機(jī)時(shí)的urandom的種子，思路已經(jīng)在上一篇文章中說明了。將宏定義定義在tb.f最前面的define文件中：
`define module_urandom_define \
string path_str; \
initial  path_str = $psprintf(path_str, "%m"); \
\
function integer urandom; \
  integer seed, i; \
  begin \
seed = $urandom(); \
for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin \
   seed = seed ^ path_str.getc(i); \
   seed = $urandom(seed); \
end \
urandom = $abs(seed); \
  end \
endfunction \
function integer urandom_range(); \
  input integer min, max; \
  integer seed, i; \
  begin \
seed = $urandom(); \
for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin \
   seed = seed ^ path_str.getc(i); \
   seed = $urandom(seed); \
end \
urandom_range = min + $abs(seed % (max - min)); \
  end \
endfunction而后在bit_async中引用宏定義：// ----------------------------------------------------------------
// Wire declare
// ----------------------------------------------------------------
`module_urandom_define就可以正常的使用urandom()和urandom_range()兩個(gè)函數(shù)了。跳變檢查因?yàn)橹挥性谳斎胄盘?hào)發(fā)生跳變時(shí)才會(huì)涉及到亞穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的隨機(jī)恢復(fù)問題，所以需要識(shí)別信號(hào)跳變，在代碼里我做了信號(hào)i_data_hold和i_data_jump，i_data_jump是i_data_hold取反的結(jié)果，所以只需關(guān)注i_data_hold的邏輯就可以。
最簡(jiǎn)單的思路，在i_clk時(shí)鐘前后兩拍的值一樣，就可以認(rèn)為輸入信號(hào)是穩(wěn)定的：
reg i_data_i_ff;
always @(posedge i_clk or negedge i_rst_n) begin
  if(i_rst_n == 1'b0)begin
i_data_i_ff 但是這樣存在一個(gè)問題，即在慢打快的時(shí)候接受域的快時(shí)鐘會(huì)在多拍都看到信號(hào)跳轉(zhuǎn)，比如下面這樣：

但是我們知道在信號(hào)進(jìn)行跨時(shí)鐘域同步時(shí)必須遵循寄存器輸出以及走線在快時(shí)鐘域一拍以內(nèi)，因此不會(huì)出現(xiàn)一次跳變的信號(hào)在采樣時(shí)連續(xù)多拍都是不穩(wěn)定的信號(hào)。所以基于這個(gè)思路，我補(bǔ)充了一個(gè)條件，也就是說在o_clk下i_data如果連續(xù)兩拍數(shù)值一致，那么也認(rèn)為其保持不會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，這樣等價(jià)于在快時(shí)鐘下兩拍一致就可以：
// ----------------------------------------------------------------
// gain jump point
// ----------------------------------------------------------------
reg i_data_i_ff;
always @(posedge i_clk or negedge i_rst_n) begin
  if(i_rst_n == 1'b0)begin
i_data_i_ff 亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)因?yàn)榕袛嗵兪窃趇_data輸入時(shí)進(jìn)行判斷的，所以亞穩(wěn)態(tài)隨機(jī)恢復(fù)的事情也是在o_clk打拍的第一拍來進(jìn)行的。簡(jiǎn)單來說就是在打拍時(shí)判斷是否為i_data_jump狀態(tài)，如果是則進(jìn)行隨機(jī)恢復(fù)：
// ----------------------------------------------------------------
// i_data -> o_data_ff1 -> o_data_ff2
// ----------------------------------------------------------------
reg o_data_ff1, o_data_ff2;
always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
  if(o_rst_n == 1'b0)begin
o_data_ff1 = 5)begin
      o_data_ff1 信號(hào)輸出嚴(yán)格來說，模塊應(yīng)該做成拍數(shù)可配置的，不過因?yàn)橹皇且粋€(gè)探索所以我就固定做成打兩拍了：
always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
  if(o_rst_n == 1'b0)begin
o_data_ff2 如此一來，單比特的跨時(shí)鐘域同步器就完成了。波形仿真嘗試仿真一下波形，在testbench里例化了4個(gè)bit_async，然后把o_data_ff1都拽出來看看。先是慢打快的場(chǎng)景：

以及快打慢的場(chǎng)景：

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