X態(tài)如何通過RTL級和門級仿真模型中的邏輯進(jìn)行傳播呢？

在Verilog中，IC設(shè)計工程師使用RTL構(gòu)造和描述硬件行為。但是RTL代碼中的一些語義，并不能夠準(zhǔn)確地為硬件行為建模。Verilog中定義了4種不同的邏輯值：1、0、X和Z，1和0是真實存在的邏輯電平，Z表示高阻態(tài)，X表示未知態(tài)。

X態(tài)的存在使得仿真結(jié)果要么太過于樂觀，要么太過于悲觀。因此X態(tài)如何通過RTL級和門級仿真模型中的邏輯進(jìn)行傳播的，是需要特別關(guān)注的。為此，還產(chǎn)生了兩種觀念，X-optimism和X-pessimism。前者將X值轉(zhuǎn)換為0或1，后者將X值一直傳播出去。

X態(tài)產(chǎn)生的原因主要分為以下幾種情況：

四值變量、寄存器和鎖存器未初始化

模塊輸入端口未連接

總線爭用

超出范圍的位選擇和數(shù)組索引

setup/holdtiming violation

testbench中注入X態(tài)

VCS對于RTL仿真提供了支持X-Propagation的選項，因為RTL仿真偏向于樂觀，導(dǎo)致一些X態(tài)傳播的bug，無法在正常的RTL仿真階段發(fā)現(xiàn)。但是在Gate-level仿真時會暴露出來，因為Gate-level仿真也更接近實際硬件行為。

我們知道越早的發(fā)現(xiàn)bug，所消耗的成本也越低的，故VCS的X-Propagation功能可以更接近Gate-level的X態(tài)傳播行為，是一種在后仿之前debug的低成本仿真策略。

通常使用帶xprop的仿真選項為：

vcs -xprop[=tmerge|xmerge|xprop_config_file]

[-xprop=flowctrl]

[-xprop=nestLimit=]

other_vcs_options

這里就不深入介紹各個選項了，而是介紹三種merge mode：

vmerge mode: 就是Verilog協(xié)議規(guī)定的X態(tài)處理行為；
tmerge mode: 更接近Gate-level仿真，也就是實際硬件行為；
xmerge mode: 相比tmerge mode，對于X態(tài)的處理更悲觀；

下面舉幾個實例來看看這三種mode的具體區(qū)別

if語句

always @*
if(s)
  r=a;
else
  r=b;

在vmerge模式下，使用標(biāo)準(zhǔn)的HDL模擬語義。當(dāng)控制信號s未知時，輸出信號r總是被賦給else語句的值。此時r的值與信號b相同。

在tmerge模式下，當(dāng)控制信號s未知時，如果輸入信號a和b 同，則r的值與a(或b)相同。如果a和b不相同，則r的值為X。

在xmerge模式下，當(dāng)控制信號s未知時，輸出信號r的值始終為X。

case語句

case (s)
1'b0:r=a;
1'b1:r=b;
endcase

在vmerge模式中，使用標(biāo)準(zhǔn)的HDL模擬語義。當(dāng)控制信號s未知時，輸出信號r的值與執(zhí)行case語句之前保持一致。

在tmerge模式中，當(dāng)控制信號s未知時，如果a和b相同，r的合并和最終值與a和b 相同。如果a和b不相同，r的合并和最終值為X。

在xmerge模式下，當(dāng)控制信號s未知時，輸出信號r的值始終為X。

邊沿敏感表達(dá)式

在標(biāo)準(zhǔn)的 Verilog 中，對于時鐘信號中以下值的變化會觸發(fā)上升沿轉(zhuǎn)換：

0->1
0->X
0->Z
X->1
Z->1

如果X被認(rèn)為是0或1值，那么在 0 -> X 轉(zhuǎn)換中，X可能表示0值，這表示沒有轉(zhuǎn)換。X可以表示1值，此時表示上升沿。Xprop仿真考慮了這兩種行為并合并了結(jié)果。

以下為一個低有效復(fù)位的D觸發(fā)器示例：

在三種模式中，如果時鐘信號clk從0變成1，即一個上升沿觸發(fā)，D觸發(fā)器的輸出信號q被賦值為輸入信號d。

對于其余四種時鐘信號的變化，vmerge模式中，輸出信號q被賦值為輸入信號d；xmerge模式中，輸出信號q被賦值為X；tmerge模式中，q端的結(jié)果是當(dāng)前拍d端和上一拍q端值得merge的結(jié)果，如果兩者不同，則當(dāng)前拍鎖存X。

latch

always@(*)
if(g)
  q <= d;

在vmerge模式下，當(dāng)控制信號g未知時，輸出信號q的值不變。

在tmerge模式下，當(dāng)控制信號g未知時，分配給q的合并值取決于q和d的值。

在xmerge模式下，當(dāng)控制信號g未知時，輸出信號q的值始終為X。

當(dāng)xprop仿真過程中出現(xiàn)X態(tài)報錯時，需要看波形以具體分析是寄存器沒有初始化值，存在X態(tài)導(dǎo)致的，還是代碼邏輯中存在問題導(dǎo)致的。

審核編輯：劉清