一、引言

SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）的復(fù)位樹設(shè)計是確保芯片在各種條件下能夠可靠啟動和恢復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。復(fù)位樹作為SoC中一個至關(guān)重要但常被忽視的底層基礎(chǔ)設(shè)施，負責(zé)將外部或內(nèi)部產(chǎn)生的復(fù)位信號安全、可靠、有序地傳遞到芯片的每一個需要復(fù)位的邏輯單元，確保芯片能夠從一個確定的初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位樹設(shè)計的復(fù)雜性很高，驗證其在所有工作模式下能否正確復(fù)位是一個重大挑戰(zhàn)。復(fù)位設(shè)計中的錯誤可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)、毛刺或其他功能故障，甚至導(dǎo)致芯片完全無法使用。因此，深入理解和掌握SoC復(fù)位樹設(shè)計的核心概念、目標和關(guān)鍵考慮因素，對于SoC的設(shè)計和驗證至關(guān)重要。

二、復(fù)位樹的概念

復(fù)位樹可以類比為一棵樹的根系，整個從源頭到終端的分布式網(wǎng)絡(luò)，就是復(fù)位樹。

樹根：是復(fù)位源頭，如外部復(fù)位引腳（POR_n, RESET_n）、看門狗復(fù)位、軟件觸發(fā)復(fù)位等。

樹干和樹枝：是復(fù)位信號在芯片內(nèi)部經(jīng)過同步、整形、分配后的傳播路徑。

樹葉：是最終接收到復(fù)位信號的各個功能模塊（如CPU核、DSP、外設(shè)、存儲器控制器等）。

三、復(fù)位樹設(shè)計的核心目標

1. 可靠性：確保復(fù)位信號本身沒有毛刺，并能被穩(wěn)定地捕獲，防止亞穩(wěn)態(tài)。

2. 可控性：能夠?qū)π酒牟煌糠诌M行獨立的復(fù)位控制（隔離復(fù)位）。例如，只復(fù)位一個外設(shè)而不影響CPU，這對調(diào)試和低功耗管理至關(guān)重要。

3. 同步性：確保復(fù)位信號的釋放（De-assertion）與目標時鐘域同步，這是避免亞穩(wěn)態(tài)的最關(guān)鍵手段。

4. 有序性：控制復(fù)位與解除復(fù)位的順序。通常要求“復(fù)位釋放順序”和“時鐘開啟順序”遵循一定規(guī)則，保證邏輯正確初始化。

5. 可測試性：設(shè)計應(yīng)支持DFT（可測試性設(shè)計），例如掃描鏈測試，通常需要全局復(fù)位來控制測試模式。

四、復(fù)位樹的關(guān)鍵組成部分與設(shè)計要點

1. 復(fù)位源

上電復(fù)位（POR）：最根本的復(fù)位，在電源穩(wěn)定后產(chǎn)生。

外部引腳復(fù)位：由用戶或外部系統(tǒng)觸發(fā)。

看門狗復(fù)位：系統(tǒng)軟件跑飛后，由看門狗計時器觸發(fā)。

軟件觸發(fā)復(fù)位：由軟件寫特定寄存器產(chǎn)生。

低功耗模式退出復(fù)位：從某些深度睡眠模式喚醒時，需要復(fù)位部分邏輯。

2. 復(fù)位同步器

復(fù)位同步器是復(fù)位樹的核心技術(shù)，絕對不能讓異步復(fù)位信號直接作用于時序邏輯的復(fù)位端。

目的：將異步的復(fù)位信號同步到目標時鐘域，確保復(fù)位釋放時不會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

經(jīng)典結(jié)構(gòu)：使用兩級或多級D觸發(fā)器鏈（同步器）來“同步化”復(fù)位釋放信號。

3. 復(fù)位控制器

復(fù)位控制器是一個集中式的模塊，用于管理所有復(fù)位源和復(fù)位請求。功能包括聚合、仲裁、分發(fā)、產(chǎn)生脈沖。

聚合：接收所有內(nèi)外部復(fù)位請求。

仲裁：確定復(fù)位的優(yōu)先級（如上電復(fù)位的優(yōu)先級最高）。

分發(fā)：將處理后的復(fù)位信號分配到不同的時鐘域和電源域。

產(chǎn)生脈沖：確保復(fù)位信號有足夠的脈沖寬度（通常通過計數(shù)器實現(xiàn)）。

4. 復(fù)位分布網(wǎng)絡(luò)

將同步化后的復(fù)位信號布線到整個芯片。

挑戰(zhàn)：復(fù)位信號通常是高扇出網(wǎng)絡(luò)，容易產(chǎn)生較大的時鐘偏斜。

解決方案。時鐘樹綜合：像做時鐘樹一樣做復(fù)位樹，使用平衡緩沖器樹來減少偏斜。全局網(wǎng)絡(luò)：使用專用的全局低偏斜網(wǎng)絡(luò)來傳遞主復(fù)位信號。

5. 域隔離處理

現(xiàn)代SoC通常有多個時鐘域和電源域，復(fù)位樹必須跨域處理。

時鐘域交叉：為每個時鐘域提供獨立的同步器。一個復(fù)位信號需要被同步到所有它要作用的時鐘域。

電源域交叉：當(dāng)復(fù)位信號需要從一個常開域傳遞到一個可關(guān)斷域時，必須使用隔離器。當(dāng)目標域斷電時，隔離器將復(fù)位信號鉗位到一個安全值（常為無效狀態(tài)），防止未定義的電平傳播到常開域，導(dǎo)致漏電或閂鎖效應(yīng)。

6. 復(fù)位順序

復(fù)位釋放順序：通常要求先釋放總線控制器、時鐘發(fā)生器、PLL鎖定等基礎(chǔ)單元的復(fù)位，再釋放CPU、DMA等主控單元的復(fù)位，最后釋放外設(shè)的復(fù)位。這個順序通常由計數(shù)器或狀態(tài)機精確控制。

復(fù)位與時鐘的關(guān)系：必須在時鐘有效之后，才能釋放復(fù)位。理想情況下，在復(fù)位期間，時鐘應(yīng)該是運行的。

五、設(shè)計流程與驗證

1. 架構(gòu)定義

確定復(fù)位源、復(fù)位類型（同步/異步、高有效/低有效）、復(fù)位域劃分。

2. RTL實現(xiàn)

編寫復(fù)位控制器的RTL代碼，明確使用同步釋放結(jié)構(gòu)。

3. 綜合與實現(xiàn)

工具會處理高扇出復(fù)位網(wǎng)絡(luò)的緩沖和布線。

4. 驗證

仿真：驗證各種復(fù)位場景下的行為是否正確。

靜態(tài)驗證：使用形式化工具檢查復(fù)位信號是否真的能到達所有目標寄存器（復(fù)位性檢查）。

時序分析：確認復(fù)位路徑滿足時序要求，特別是同步器本身的建立保持時間。

六、復(fù)位樹設(shè)計的關(guān)鍵點

1. 混合復(fù)位類型的處理

復(fù)位通常被定義為相對于時鐘的異步或同步。有時，一個復(fù)位信號可能被用作一個時鐘的同步復(fù)位，另一個時鐘的異步復(fù)位，這需要特別注意。

2. 寄存器的復(fù)位設(shè)計

在寄存器中同時允許異步復(fù)位和置位通常不是一個好主意，因為這可能導(dǎo)致競爭條件，從而在仿真和綜合之間出現(xiàn)不匹配。

3. 復(fù)位樹的驗證

傳統(tǒng)上，仿真一直是驗證復(fù)位行為的主要方法，但仿真測試覆蓋率不完整，門級仿真通常在設(shè)計周期的后期才運行。因此，需要更先進的驗證方法來確保復(fù)位樹設(shè)計的正確性。

七、復(fù)位樹設(shè)計的注意事項

1. 電源域和電壓源的設(shè)計

根據(jù)不同的電壓設(shè)計電壓域，根據(jù)不同的子系統(tǒng)功能設(shè)計電源域。這有助于確保復(fù)位信號在不同電源域中的正確傳播。

2. 復(fù)位信號的去毛刺處理

對于復(fù)位引腳等可能受到抖動影響的復(fù)位源，需要進行去毛刺處理。

3. 復(fù)位延遲計數(shù)器的設(shè)計

在時鐘不穩(wěn)定階段，計數(shù)器可能出現(xiàn)混亂或采樣錯誤，導(dǎo)致計數(shù)值跳變。因此，模擬電路在產(chǎn)生POR時需有一定延遲，數(shù)字計數(shù)器的位寬要足夠?qū)挕?/p>

八、復(fù)位樹設(shè)計的未來趨勢

隨著SoC設(shè)計的復(fù)雜性不斷增加，復(fù)位樹設(shè)計也需要不斷適應(yīng)新的挑戰(zhàn)。例如，對于具有多個時鐘域和電源域的SoC，復(fù)位樹設(shè)計需要更加靈活和可靠。同時，隨著硬件設(shè)計驗證技術(shù)的發(fā)展，復(fù)位樹的驗證方法也將更加先進和高效。

九、復(fù)位方案案例

沒找到合適的，只找到一個SoC外部復(fù)位電路配置方案。

在TI的AMZ63x SoC中，PORz信號是主域的上電復(fù)位信號，由一個3輸入與門驅(qū)動，當(dāng)PMC驅(qū)動NRES、MCU復(fù)位輸出信號低電平，或電壓監(jiān)視器驅(qū)動RESET1或RESET2，或用戶按下按鈕SW2，或測試自動化頭輸出低電平信號TA_PORZn時，產(chǎn)生主域的上電復(fù)位。PORz信號連接到多個模塊，如AMZ63x SoC的PORz輸入、RGMII以太網(wǎng)PHY復(fù)位等。另外WARMRESETn是熱復(fù)位信號。

十、總結(jié)

SoC的復(fù)位樹設(shè)計是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的任務(wù)，需要綜合考慮多種因素，以確保芯片在各種條件下都能可靠地復(fù)位和啟動。一個設(shè)計良好的復(fù)位樹是SoC穩(wěn)定運行的基石。

文章來源于志芯，作者JackXu

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