【芯片前端】仿真向/基于静态随机函数的单比特跨时钟同步器

2023-02-16 91

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简介： 【芯片前端】仿真向/基于静态随机函数的单比特跨时钟同步器

前言

因为后面我想做一些其他的实验，需要一个用于仿真的模拟亚稳态的单比特同步模块，需要满足几个需求：

1.在第一拍出发跨异步亚稳态，即发生信号跳变时，同步器第一拍的结果随机为0或者为1；

2.同步器例化多份，每一个inst亚稳态的恢复值随机，横向之间互相没有关系；

3.同一个inst，输入信号跳变，每次亚稳态恢复的值随机，纵向之间相互没有关系；

4.亚稳态恢复结果能够被seed控制，稳定复现；

其实这几个需求，核心还是之前在另外一个博文里探讨过的内容，如何在静态模块中做可控制的随机：

【验证小白】静态模块module/interface中的$urandom可控随机探索

这次实际是一次具体的使用吧。

代码

每次有信号跳变时，需要在RTL中触发一次随机，将同步器的第一拍输出随机为0或者1（实际就是把打三拍之后的亚稳态恢复值，聚在第一拍模拟完成）。

第一步，做用来产生随机数的function，思路就是另一篇博客中说的方式，通过%m来差异化每一个inst随机时的%urandom的种子；

1. /*for module random ctrl by seed*/
2. string   path_str;
3. initial  path_str = $psprintf(path_str, "%m");
4. 
5. function integer urandom_range(); 
6.     input integer min, max; 
7.     integer seed, i; 
8.     begin 
9.         seed = $urandom(); 
10.         for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin 
11.             seed = seed ^ path_str.getc(i); 
12.             seed = $urandom(seed); 
13.         end
14.         urandom_range = min + $abs(seed % (max - min));
15.     end 
16. endfunction
17. /*end*/

第二步，判定输入信号是否跳变，我的做法就是，在i_clk和o_clk分别做一个i_sync_ff(i_sync_ff为实际的跨异步信号)的打拍i_sync_ff1/o_sync_org0，当i_sync_ff与i_sync_ff1保持一致或i_sync_ff与o_sync_org0保持一致时就认为i_sync_ff稳定了足够长的时间，不会触发亚稳态的问题（分别对应快转慢和慢转快）；

1. reg o_sync_org0;
2. always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
3.     if(o_rst_n == 1'b0)begin
4.         o_sync_org0 <= 1'b0;
5.     end
6.     else begin
7.         o_sync_org0 <= i_sync_ff;
8.     end
9. end
10. wire i_sync_hold = (i_sync_ff1 == i_sync_ff0) | (o_sync_org0 == i_sync_ff0);

第三步，在判定信号跳变时，触发亚稳态问题以及随机恢复；

1. reg o_sync_ff0;
2. always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
3.     if(o_rst_n == 1'b0)begin
4.         o_sync_ff0 <= 1'b0;
5.     end
6.     else begin
7.         if(i_sync_hold)begin
8.             o_sync_ff0 <= i_sync_ff;
9.         end
10.         else begin
11.             if(urandom_range(1,10) >= 5)begin
12.                 o_sync_ff0 <= ~i_sync_ff;
13.             end
14.             else begin
15.                 o_sync_ff0 <= i_sync_ff;
16.             end
17.         end
18.     end
19. end

第四步，把o_sync_ff0再打两拍，作为同步器的最终输出；

1. reg o_sync_ff1, o_sync_ff2;
2. always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
3.     if(o_rst_n == 1'b0)begin
4.         o_sync_ff1 <= 1'b0;
5.         o_sync_ff2 <= 1'b0;
6.     end
7.     else begin
8.         o_sync_ff1 <= o_sync_ff0;
9.         o_sync_ff2 <= o_sync_ff1;
10.     end
11. end
12. 
13. assign o_sync     = o_sync_ff2;

第五步，把o_sync_org0也打两拍输出，作为完全没有亚稳态情况下的参考输出；

1. reg o_sync_org1, o_sync_org2;
2. always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
3.     if(o_rst_n == 1'b0)begin
4.         o_sync_org1 <= 1'b0;
5.         o_sync_org2 <= 1'b0;
6.     end
7.     else begin
8.         o_sync_org1 <= o_sync_org0;
9.         o_sync_org2 <= o_sync_org1;
10.     end
11. end
12. assign o_sync_org = o_sync_org2;