【芯片验证】异步电路碎碎念（十二）基于静态随机函数的单比特跨时钟同步器

接口

module名为bit_async，既然是单比特的同步器那么接口自然就是6根线，分别以i_*和o_*来标记时钟域：

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;

可控随机

第一步自然是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，思路已经在上一篇文章中说明了。将宏定义定义在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

// ----------------------------------------------------------------
// Wire declare
// ----------------------------------------------------------------
`module_urandom_define

跳变检查

因为只有在输入信号发生跳变时才会涉及到亚稳态和亚稳态的随机恢复问题，所以需要识别信号跳变，在代码里我做了信号i_data_hold和i_data_jump，i_data_jump是i_data_hold取反的结果，所以只需关注i_data_hold的逻辑就可以。

最简单的思路，在i_clk时钟前后两拍的值一样，就可以认为输入信号是稳定的：

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 <= 1'b0;
  end
  else begin
    i_data_i_ff <= i_data;
  end
end

wire i_data_hold = (i_data == i_data_i_ff);
wire i_data_jump = !i_data_hold;

但是我们知道在信号进行跨时钟域同步时必须遵循寄存器输出以及走线在快时钟域一拍以内，因此不会出现一次跳变的信号在采样时连续多拍都是不稳定的信号。所以基于这个思路，我补充了一个条件，也就是说在o_clk下i_data如果连续两拍数值一致，那么也认为其保持不会产生亚稳态，这样等价于在快时钟下两拍一致就可以：

// ----------------------------------------------------------------
// 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 <= 1'b0;
  end
  else begin
    i_data_i_ff <= i_data;
  end
end

reg i_data_o_ff;
always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
  if(o_rst_n == 1'b0)begin
    i_data_o_ff <= 1'b0;
  end
  else begin
    i_data_o_ff <= i_data;
  end
end

wire i_data_hold = (i_data == i_data_i_ff) || (i_data == i_data_o_ff);
wire i_data_jump = !i_data_hold;

亚稳态恢复

因为判断跳变是在i_data输入时进行判断的，所以亚稳态随机恢复的事情也是在o_clk打拍的第一拍来进行的。简单来说就是在打拍时判断是否为i_data_jump状态，如果是则进行随机恢复：

// ----------------------------------------------------------------
// 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 <= 1'b0;
  end
  else begin
    if(i_data_jump)begin
      if(urandom_range(1,10) >= 5)begin
        o_data_ff1 <= !i_data;
      end
      else begin
        o_data_ff1 <= i_data;
      end
end

信号输出

严格来说，模块应该做成拍数可配置的，不过因为只是一个探索所以我就固定做成打两拍了：

always @(posedge o_clk or negedge o_rst_n) begin
  if(o_rst_n == 1'b0)begin
    o_data_ff2 <= 1'b0;
  end
  else begin
    o_data_ff2 <= o_data_ff1;
  end
end

assign o_data = o_data_ff2;

波形仿真

尝试仿真一下波形，在testbench里例化了4个bit_async，然后把o_data_ff1都拽出来看看。先是慢打快的场景：

以及快打慢的场景：

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