基于RISCV的NoC配置管理单元设计及验证

为解决NoC协议芯片内部各个IP的初始化配置功能以及NoC芯片内部状态检测问题,设计芯来ICB总线转接AMBA总线的协议转换桥,基于芯来E203搭建配置管理单元与NoC芯片不同IP进行互连,从而实现NoC芯片的初始化配置以及管理工作,并从模块级、系统级以及FPGA原型3方面对系统进行验证。验证结果表明,配置管理单元系统的正确性扩大了芯片的应用范围。

单时钟域网络传输时延测量插值优化算法

对单时钟域理论难以提高测量精度的根本原因进行探讨,认为回环处理时间作为误差因子引入影响测量精度。对单时钟域测量法的公式作进一步的演绎推导,提出在原先测量方法的基础上插值增添测量时刻的优化测量方法,并对所提出的方法进行了实验测试验证。实验结果表明,增加差值优化的测量算法能接近复杂硬件测量场景的单时钟域测量精度。

基于OCP的轻量级多主从跨时钟域片上总线设计

开放芯核协议(Open Core Protocol,OCP)总线可被应用于将IP核功能与接口解耦,实现IP核的即插即用。针对OCP连接到异步时钟域时的同步问题,改进设计了轻量化的同步接口,在同步化控制信息的同时降低了跨时钟域缓存数据导致的硬件消耗。为解决点到点的OCP总线的扩展性不足的缺陷,将设计的跨时钟域OCP总线部署于共享总线互联的高级高性能总线(AMBA High-performance Bus,AHB),实现了多主从多时钟域传输。仿真和验证表明,设计的改进跨时钟域OCP-AHB总线可以正确传输数据,可用于其他工作的快速部署。

通感一体化中的感知非理想因素及其消除方法

通感一体化在学术界和产业界都引起了广泛的关注和研究热潮,并被国际电信联盟ITU确定为6G的六大应用场景之一。在通信系统中引入感知功能时,由器件的非理想性引起的一些问题对于感知性能有着决定性的影响,称之为感知非理想因素。将从感知非理想因素的背景入手,进而分析四项感知非理想因素对于感知性能的影响。对于部分感知非理想因素,梳理了几种消除方法及其原理。最后,通过仿真或样机测试的方法,直观地展示了感知非理想因素的影响。特别地,在样机测试中,通过参考径方法进行感知非理想因素的消除,获取较好的效果。

用LabVIEW FPGA模块实现不同时钟域的数据连续传输

为了解决基于LabVIEW FPGA模块的DMA FIFO深度设定不当带来的数据不连续问题,结合LabVIEW FPGA的编程特点和DMA FIFO的工作原理,提出了一种设定FIFO深度的方法。对FIFO不同深度的实验表明,采用该方法设定的FIFO深度能够比较好地满足系统对数据连续传输的要求。研究结果对深入展开研究和工程设计具有一定的指导意义。

异步FIFO的设计与验证

多时钟域设计的一个难题是如何避免亚稳态的产生。异步FIFO是一种不同时钟域之间传递数据的常用方法。避免亚稳态问题及空满控制信号的产生是异步FIFO设计的两个难题。传统的异步FIFO设计采用同步读写地址后比较产生空满标志的方法,面积大、工作频率低。针对这些问题,文章提出了一种新的异步FIFO设计方案,它改进格雷编码电路,提高异步FIFO的工作频率,用先比较读写地址产生空满标志,再同步到相应时钟域的方法避免使用大量的同步寄存器,减小面积空间。EDA综合及FPGA验证的结果均表明,改进后异步FIFO的性能有了显著提高。

面向SoC系统芯片中跨时钟域设计的模型检验方法

传统方法无法在RTL验证阶段全面验证SoC系统芯片中的跨时钟域设计.为解决此问题,本文首先提出描述亚稳态现象的等价电路实现,用以在RTL验证中准确体现亚稳态现象的实际影响;然后使用线性时序逻辑对跨时钟域设计进行设计规范的描述;为缓解模型检验的空间爆炸问题,进一步针对跨时钟域设计的特点提出基于输入信号的迁移关系分组策略和基于数学归纳的优化策略.实验结果表明本文提出的方法不仅可以在RTL验证阶段有效地发现跨时钟域设计的功能错误,而且可以使验证时间随实验用例中寄存器数量的递增趋势从近似指数级增长减小到近似多项式级增长.

ASIC系统中跨时钟域配置模块的设计与实现

本文概述了ASIC系统中跨时钟域配置模块的多种设计方案以及实现方法,并且着重对分析由于跨时钟域带来的异步时钟问题进行了分析,提出了避免“潜在逻辑错误”发生的解决方案。同时研究了设计方案对后端实现中可能出现的影响,避免了不合理的前端设计给后端实现带来的困难。

降低系统芯片中跨时钟域设计和验证复杂度的方法

在系统芯片设计中,直接采用现有的跨时钟域信号处理方法不仅设计复杂度高而且验证难度大。为了解决这个问题,将跨时钟域设计与功能设计完全分离,在每个通信接口部件中采用独立的、专用的跨时钟域处理模块统一解决跨时钟域信号的传输问题,并通过封装点对点通信接口和合并处理同一方向的跨时钟域信号,将需要处理的跨时钟域信号的数量减少为方向相反的2组。实验结果表明,该方法能够有效降低跨时钟域设计的验证难度和系统芯片的设计复杂度,并且不会明显增加功能部件的传输延迟和面积开销。

面向SOC芯片的跨时钟域设计和验证

随着高性能、低功耗芯片的发展,多时钟域和跨时钟域(Clock Domain Crossing,CDC)设计越来越多,CDC设计和验证越来越重要。阐述了5种常用的同步器设计模板。验证方法提出了层次化的验证流程:结构化检查,基于断言的验证(assertion-based verification,ABV),对关键模块进行形式化验证。CDC设计应用于研发的一款65nm工艺SOC芯片(最高主频1GHz、10个时钟域设计、多种工作模式),该芯片已流片回来。经测试,芯片的功能正确,说明设计和验证方法是完备的。

空间高速总线SpaceWire节点的设计与实现

根据SpaceWire总线的组成结构以及采用的数据-滤波编解码技术,针对SpaceWire节点需要与主机设备、SpaceWire接口设备进行异步交互的特点,文章给出了一种SpaceWire节点的高效实现方案。首先,该方案在硬件设计中采用了SpaceWire节点的多时钟域设计,使得节点整体性能得以显著提升;第二,采用双倍数据速率寄存器设计来降低SpaceWire节点发送端设计难度,解决了高速数据发送问题;第三,采用手动布局接收端的底层器件来满足时序要求,解决了高速数据接收问题;第四,计算出接收端RX FIFO的理论读出时钟频率指导硬件程序设计。在此基础上,采用SpaceWire节点的点对点数据传输实验对文章设计验证,结果表明文章给出的方案可以工作在240MHz时钟频率下,满足空间高速数据传输中高可靠性、低误码率和低复杂度的要求。

高速1553BIP核的设计与实现

随着MIL-STD-1553B总线在航空、航天等军事领域的综合电子信息系统中的广泛应用,系统应用对1553B协议处理器的高传输率、高可靠性以及小型化提出了更高的需求,采用传统专用芯片的方案已经不能很好地满足应用需求。从上述需求出发,文中全面描述了高速1553BIP的功能结构以及各功能模块的设计与实现。目前,1553BIP已经过MPW投片验证,样片的性能测试和系统应用验证结果表明,1553BIP完全符合MIL-STD-1553B协议,支持10 Mbps高速数据通信。

一种基于寄存器翻转时刻随机化的抗DPA攻击技术

在密码算法电路中寄存器翻转时刻随机化对芯片抗DPA(differential power analysis)攻击能力有很大影响,因此提出了一种基于寄存器翻转时刻随机化的抗DPA攻击技术,其核心是利用不同频率时钟相位差的变化实现电路中关键寄存器翻转时刻的随机变化.针对跨时钟域的数据和控制信号,提出了需要满足的时序约束条件的计算方法,同时还分析了不同时钟频率对寄存器翻转时刻随机化程度的影响.以AES密码算法协处理器为例,实现了所提出的寄存器翻转时刻随机化技术,通过实验模拟的方法验证了理论分析的正确性.实验结果显示,在合理选择电路工作时钟频率的情况下,所提出的技术能够有效提高密码算法电路的抗DPA攻击性能.

面向模型检验的跨时钟域设计电路特性生成方法

对跨时钟域设计进行功能验证是SoC验证中的难点问题.传统的面向跨时钟域设计的模型检验方法并没有充分考虑电路特性描述的完整性问题,然而制订完整的电路特性是模型检验有效性的基础,不全面的电路特性描述将可能隐藏设计错误.为生成完整的描述跨时钟域设计的电路特性,本文首先提出基于有限状态自动机的电路特性生成方法;然后为缓解状态空间爆炸问题,提出基于亚稳态的数值化简策略.通过对两个典型的跨时钟域设计进行实验的结果表明,采用本文方法不仅能够达到100%的电路特性覆盖率,而且可以发现被传统方法隐藏的功能错误.同时模型检验的时间代价也能够得到大幅度降低.

FPGA设计中的亚稳态问题及其预防方法研究

由于在复杂FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)设计中存在跨时钟域,通常会产生亚稳态现象。为有效地预防和解决该问题,分析FPGA设计中亚稳态的产生机理及其对数字信号处理系统的影响。根据不同的信号同步类型,针对单比特电平信号、脉冲信号和边沿信号,分别给出基于触发器级联的跨时钟域信号同步方法;针对并行信号,提出基于异步FIFO(First In First Out,先进先出队列)和握手协议的跨时钟域同步方法;并通过仿真手段分析信号同步方法的有效性及其适用范围。结果表明:这些方法能够正确有效地完成跨时钟域信号同步,预防可能出现的亚稳态问题,从而提高复杂FPGA设计的可靠性和稳定性。

异步FIFO的模型检验方法

跨时钟域(Clock Domain Crossing,CDC)设计和验证是SOC系统芯片设计的关键问题。讨论了异步FIFO的模型检验方法,利用模型检验工具SMV,建立了异步FIFO的有限状态机模型,使用时序逻辑LTL对该模型和属性进行了描述和验证。实验结果达到要求,同时表明该方法是行之有效的。与传统的模拟和仿真等验证方法相比较,模型检验具有能够自动进行、验证速度快、不用书写测试激励等优点。

基于ATE的FPGA亚稳态的激发与验证

在FPGA电路设计中,信号间常发生跨时钟域的传输,亚稳态问题成为影响系统可靠性的关键因素;目前的测试方法不能满足对亚稳态的测试,如何有效地激发亚稳态及验证亚稳态保护措施的有效性,成为FPGA测试的关键问题;文章详细分析了FPGA中亚稳态产生的根源,基于ATE测试系统,提出了一种有效的多时钟域的测试方法,通过设计输入信号间的时序偏差,激发亚稳态,并验证电路相应的保护措施是否有效;在此基础上,设计了基于ATE的测试系统,调整时钟间隔,成功的激发出亚稳态,并验证了经过两级同步后的电路有效地避免了亚稳态的传播。

ASIC中的异步FIFO的实现

绝大部分ASIC设计工程师在实际工作中都会遇到多时钟域设计的问题,多时钟域设计的一个难题是如何避免亚稳态的产生。异步FIFO是一种不同时钟域之间传递数据的常用方法。避免亚稳态问题及空满控制信号的产生是异步FIFO设计的两个关键。本文针对异步时序产生的问题提出了一种新的异步FIFO设计方案。用这样一个异步FIFO模块实现FPGA内部不同时钟系统之间的数据接口,它们之间不需要互相握手,只需跟接口FIFO模块进行交互就可以了,使设计变得非常简单和容易。此异步FIFO基于Altera公司的Cyclone系列实现的,采用VHDL语言设计,通过对设计进行简单的修改,即可用于各种不同的系统的设计,经过充分测试和优化,该异步FIFO运行稳定,占用FPGA内部资源也非常少。

基于FPGA的圆光栅编码器数据采集系统设计

介绍了一种基于FPGA的圆光栅编码器数据采集系统的设计方法。通过分析圆光栅的实际工作情况,将系统分为三大模块,详细阐述了滤波模块实现消除高频信号干扰,计数模块实现四倍频、辨向与脉冲计数,以及数据通信模块实现跨时钟域数据传输功能的具体方法。最后通过Modelsim仿真验证了系统设计的可行性与可靠性。本系统具有高集成、可扩展、便于移植的特点,可广泛应用于相关领域。

一种CDC信号滑动窗口时序分析方法

异步时钟域设计中CDC信号的时序分析及收敛是超大规模高频数字电路设计功能正确的重要保证。为了减少设计面积,提出了一种CDC信号滑动窗口时序分析方法,该方法在每种corner的每条CDC通路上单独设置适当的时序约束窗口进行时序计算与分析,有效避免了常用的固定约束分析方法由于约束条件过严导致的虚假时序违反及不必要的时序修复,而使设计面积增大的问题,减轻了CDC电路的后端设计工作量。在16 nm工艺下的实验结果表明,该方法在时钟树偏差较大时与固定约束分析方法相比显著节省了设计面积。