一、主要概念

同步邏輯和異步邏輯：時鐘域為由單個時鐘或具有固定相位關(guān)系的時鐘驅(qū)動的設(shè)計部分。也就是說，在一個模塊中一個時鐘和他的翻轉(zhuǎn)或者分頻時鐘認為是相同的時鐘域，其所驅(qū)動的邏輯是同步邏輯。在一個模塊中不具有相同相位和時間關(guān)系的時鐘被視為不同的時鐘域，其所驅(qū)動的邏輯是異步邏輯。

亞穩(wěn)態(tài)：如果數(shù)據(jù)傳輸中不滿足觸發(fā)器的建立時間和保持時間，或者復(fù)位過程中復(fù)位信號的釋放相對于有效時鐘沿的恢復(fù)時間（recovery time）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)就是無法避免的，亞穩(wěn)態(tài)主要發(fā)生在異步信號檢測、跨時鐘域信號傳輸以及復(fù)位電路等常用設(shè)計中。

MTBF: 平均無故障工作時間，英文全稱：Mean time between failures；利用平均故障間隔時間(MTBF)公式可以預(yù)測亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生，MTBF越大則說明亞穩(wěn)態(tài)對電路產(chǎn)生的影響越小，反之亦然。

其中C1和C2是常數(shù)，依賴于構(gòu)建觸發(fā)器所使用的技術(shù);tMET為在不引起同步失敗的前提下亞穩(wěn)態(tài)輸出持續(xù)時間，時間越長MTBF指數(shù)級增大，所以高頻電路兩級觸發(fā)器不夠可能要用三級觸發(fā)器來保證;fclk和fdata分別是同步時鐘和數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率；所以在不影響功能前提下，可以降頻工作頻率和數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)頻率，都可以有效的增大MTBF。

二、CDC典型錯誤場景

在芯片設(shè)計過程中，CDC正向確認時經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)幾種典型的錯誤場景：沒有處理直接裸跨、輸入同步器前組合邏輯輸出以及多路扇出和重新聚合場景等，還有一些不太常見情況未列出，請參閱文末資料。

2.1直接裸跨

如上圖，如果CLK B采樣DA，而DA是變化的(在CLK的上升邊緣和下降D)的邊緣，則DB將是亞穩(wěn)態(tài)的，這種就是沒有使用同步器，顯然是不合理的。

2.2毛刺（Glitch）

異步路徑時序工具不會進行時序分析，這條道路上的任何邏輯都必須謹慎精心設(shè)計并驗證，因為邏輯可能導(dǎo)致故障并在下游產(chǎn)生功能錯誤。如下圖所示，盡管兩個源觸發(fā)器同時給出脈沖，但由于布局布線以及環(huán)境原因而引起的傳播延遲(Td)不同，導(dǎo)致DA1和DA2信號不能同時到達，因此在CLKA時鐘域下A&B會產(chǎn)生毛刺，而在CLKB時鐘域下產(chǎn)生一個假脈沖，導(dǎo)致后繼電路異常。正確的做法是將A&B在CLKA時鐘域下打一拍寄存器輸出。

此外，還有另外一種情況出現(xiàn)漏采，如下圖所示，DB1在CLKB時鐘域下應(yīng)有的高電平信號，由于DA1和DA2的傳輸延時不同，導(dǎo)致在CLKB下沒有傳遞出去。

2.3多路扇出

單個信號扇出輸入到多個同步器時，由于輸入信號到達的同步器的時間不同（傳輸延時Td不同），同步可能需要一拍或者兩拍完成同步，此時同步后的各個信號之間可能存在錯拍問題。如下圖所示，DA1和DA2信號同步后分別是Fsm1_en 和 Fsm2_en信號，設(shè)計時如果仍認為它們是相同的信號，就會導(dǎo)致邏輯功能錯誤。

2.4重新聚合(RECONVERGENCE)

在多bit跨時鐘傳輸過程中，如果各個bit之間分別使用單bit同步器進行跨時鐘處理，在目的時鐘域又重新聚合起來。如下圖所示，DA1和DA2由于傳輸delay不同，在 CLKB上升沿采樣時，就會有2’10不期望值的出現(xiàn)，這樣DB1和DB2進行邏輯處理（聚合）時，也會得到不期望的值,這也是總線不能采用單bit同步器進行跨時鐘處理的原因。此外,格雷碼是可以使用單bit同步器進行處理的，AFIFO就是其典型設(shè)計。

擴展：上述指的兩個兩級觸發(fā)器的單bit同步器，可以擴展為兩個AFIFO總線跨時鐘，如果設(shè)計不當(dāng)，只使用其中一個AFIFO的empty作為兩個AFIFO讀判斷，由于格雷碼同步的不確定性，導(dǎo)致兩個AFIFO的empty信號不一致，當(dāng)出口兩組總線聚合時，就會發(fā)生錯拍問題，從而導(dǎo)致功能異常。解決辦法是兩個AFIFO的讀條件應(yīng)該關(guān)聯(lián)或者使用一個大的AFIFO.

Referencecadencecdc（1）

Reference Spyglass cdc（2）

編輯：jq