【验证问题记录-001】后仿中无复位寄存器的初始化问题

【验证问题记录-001】后仿中无复位寄存器的初始化问题

1. 问题背景

在数字设计中，为了追求极致的性能、面积与功耗，经常会使用无复位的寄存器，相对于有复位的寄存器，无复位寄存器具有以下优点：

**面积小：**无复位寄存器通常比带有复位功能的寄存器占用更少的硬件资源。在芯片设计中，面积是一个重要的考虑因素，因为较小的面积可以降低芯片成本、提高集成度。

**功耗低：**由于无复位寄存器的结构相对简单，其功耗通常比带有复位功能的寄存器低。这对于低功耗设计非常重要，特别是在移动设备和嵌入式系统中。

**性能高：**在某些情况下，无复位寄存器可以提供更高的性能。例如，在高速数据传输和处理中，无复位寄存器可以减少复位操作带来的延迟，提高系统的响应速度。

但是使用无复位寄存器最大的问题是初始状态不确定，无复位寄存器在上电或系统启动时，其初始状态是不确定的。这可能会导致系统在启动时出现不可预测的行为，需要额外的逻辑来处理初始状态的不确定性。在数字设计中使用无复位寄存器需要权衡其优缺点，并谨慎处理。

根据复位值是否使用，可以划分为两种情况，第一种情况为复位结束后不使用复位值。例如在数据传输时，除了数据信号外，还有指示数据是否有效的指示信号，这种情况下，数据信号的复位值是无意义的。第二种情况为复位结束后使用复位值，但对于值是多少并不敏感。例如时钟分频电路。

在数字后仿中，针对第一种情况，无需处理，而针对第二种情况，就需要使用仿真工具提供的一些方法，给予相应寄存器一个初值。

2. 问题描述

以下代码是一个时钟8分频电路模块，因为有initial语句的初始化，所有在RTL级功能仿真时不会有问题，但是该RTL在综合为网表后，initial语句将会被忽略，在后仿中cnt的值会一直保持为不定态x，给仿真带来功能性问题。

module clk_div(input       clki,input       clko
);reg  [2:0]  cnt;assign clko = cnt[2];initial begincnt = 3'd0;
endalways @(posedge clki)
begincnt <= cnt + 1'b1;
endendmodule

3. 原因分析

综合工具在将RTL在综合为网表的过程中，initial语句会被忽略，上述代码中的cnt寄存器会保持不定态x，导致仿真功能出现问题。

4. 解决方案

VCS（Verilog Compiled Simulator）的 UCLI（Unified Command Line Interface）模式是一种交互模式，它提供了一个命令行界面，用于在仿真过程中进行交互操作和调试。在仿真的0时刻，可通过如下命令初始化上述的cnt为0。

force -deposit test_top.dut.clk_div_cnt_reg_0_.Q 0
force -deposit test_top.dut.clk_div_cnt_reg_1_.Q 0
force -deposit test_top.dut.clk_div_cnt_reg_2_.Q 0run

在运行仿真时，将上述脚本加入到simv的参数中

./simv -ucli -i init.ucli

5.相关拓展

force是 VCS在UCLI模式下的一个命令，用于在仿真过程中强制将一个特定的值赋给一个信号或变量。下面是它的使用说明。

force                        Force or deposit a value on a signal/variable
Usage:force <nid> <value>[<time> {, <value> <time>}* [-repeat <time>]][-cancel <time>] [-freeze|-deposit] [-drive]force <nid> -cancel <time>where 'nid' is a nested identifier (hierarchical path name)'value' is the new value to be applied'time' is a [@]<number>[.<number>][<unit>]'@' identifies an absolute time'unit' is one of [ s | ms | us | ns | ps | fs ]-repeat <interval>repeat the waveform every relative time interval-cancel <time>release the forced value after the specified time-freeze|-deposit-freeze: default. Freeze the value to the forced value-deposit: value can be overwritten by a subsequent driver transaction-driveattach a new driver to the signal (VHDL only)

release                      Release a variable from the value assigned using 'force'
Usage:release <nid>where 'nid' is a nested identifier (hierarchical path name)

5.1 用法说明

1. 基本语法：

   • force <nid> <value>：其中 “nid” 是嵌套标识符，即信号或变量的层次化路径名称；“value” 是要强制赋予的新值。

   • 可以在后面添加时间信息和其他选项，例如

     <time> {, <value> <time>}* [-repeat <time>]] [-cancel <time>] [-freeze|-deposit] [-drive]

2. 时间参数：

   • “time” 表示时间值，可以是绝对时间（以 “@” 开头）或相对时间，后面可以跟时间单位，如 “s（秒）”“ms（毫秒）”“us（微秒）”“ns（纳秒）”“ps（皮秒）”“fs（飞秒）”。

3. 选项说明：

   • -repeat <interval>：以相对时间间隔重复指定的波形。
   • -cancel <time>：在指定时间后释放强制赋值。
   • -freeze（默认）：将值冻结为强制值，即后续的正常驱动不能改变该值。
   • -deposit：值可以被后续的驱动事务覆盖。
   • -drive（仅适用于 VHDL）：为信号附加一个新的驱动器。

5.2 示例用法

1. 简单强制赋值：
   • force top_module.sub_module.signal_name 1'b1：将名为 “signal_name” 的信号强制赋值为逻辑 1。
2. 带时间参数的强制赋值：
   • force top_module.sub_module.signal_name 1'b1 @10ns：在绝对时间 10 纳秒时将信号强制赋值为逻辑 1。
   • force top_module.sub_module.signal_name 1'b1 5ns, 1'b0 10ns：在相对时间 5 纳秒时将信号赋值为逻辑 1，在相对时间 10 纳秒时将信号赋值为逻辑 0。
3. 生成重复波形：
   • force top_module.sub_module.signal_name 1'b1 5ns -repeat 10ns：从相对时间 5 纳秒开始，每 10 纳秒重复将信号赋值为逻辑 1。
4. 释放强制赋值：
   • force top_module.sub_module.signal_name 1'b1 -cancel 20ns：在相对时间 20 纳秒时释放对信号的强制赋值。