X态如何通过RTL级和门级仿真模型中的逻辑进行传播呢？

在Verilog中，IC设计工程师使用RTL构造和描述硬件行为。但是RTL代码中的一些语义，并不能够准确地为硬件行为建模。Verilog中定义了4种不同的逻辑值：1、0、X和Z，1和0是真实存在的逻辑电平，Z表示高阻态，X表示未知态。

X态的存在使得仿真结果要么太过于乐观，要么太过于悲观。因此X态如何通过RTL级和门级仿真模型中的逻辑进行传播的，是需要特别关注的。为此，还产生了两种观念，X-optimism和X-pessimism。前者将X值转换为0或1，后者将X值一直传播出去。

X态产生的原因主要分为以下几种情况：

四值变量、寄存器和锁存器未初始化

模块输入端口未连接

总线争用

超出范围的位选择和数组索引

setup/holdtiming violation

testbench中注入X态

VCS对于RTL仿真提供了支持X-Propagation的选项，因为RTL仿真偏向于乐观，导致一些X态传播的bug，无法在正常的RTL仿真阶段发现。但是在Gate-level仿真时会暴露出来，因为Gate-level仿真也更接近实际硬件行为。

我们知道越早的发现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态传播行为，是一种在后仿之前debug的低成本仿真策略。

通常使用带xprop的仿真选项为：

vcs -xprop[=tmerge|xmerge|xprop_config_file]

[-xprop=flowctrl]

[-xprop=nestLimit=]

other_vcs_options

这里就不深入介绍各个选项了，而是介绍三种merge mode：

vmerge mode: 就是Verilog协议规定的X态处理行为；
tmerge mode: 更接近Gate-level仿真，也就是实际硬件行为；
xmerge mode: 相比tmerge mode，对于X态的处理更悲观；

下面举几个实例来看看这三种mode的具体区别

if语句

 

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

 

在vmerge模式下，使用标准的HDL模拟语义。当控制信号s未知时，输出信号r总是被赋给else语句的值。此时r的值与信号b相同。

在tmerge模式下，当控制信号s未知时，如果输入信号a和b 同，则r的值与a(或b) 相同。如果a和b不相同，则r的值为X。

在xmerge模式下，当控制信号s未知时，输出信号r的值始终为X。

case语句

 

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

 

在vmerge模式中，使用标准的HDL模拟语义。当控制信号s未知时，输出信号r的值与执行case语句之前保持一致。

在tmerge模式中，当控制信号s未知时，如果a和b相同，r的合并和最终值与a和b 相同。如果a和b不相同，r的合并和最终值为X。

在xmerge模式下，当控制信号s未知时，输出信号r的值始终为X。

边沿敏感表达式

在标准的 Verilog 中，对于时钟信号中以下值的变化会触发上升沿转换：

 

0 -> 1
0 -> X
0 -> Z
X -> 1
Z -> 1

 

如果X被认为是0或1值，那么在 0 -> X 转换中，X可能表示0值，这表示没有转换。X可以表示1值，此时表示上升沿。Xprop仿真考虑了这两种行为并合并了结果。

以下为一个低有效复位的D触发器示例：

在三种模式中，如果时钟信号clk从0变成1，即一个上升沿触发，D触发器的输出信号q被赋值为输入信号d。

对于其余四种时钟信号的变化，vmerge模式中，输出信号q被赋值为输入信号d；xmerge模式中，输出信号q被赋值为X；tmerge模式中，q端的结果是当前拍d端和上一拍q端值得merge的结果，如果两者不同，则当前拍锁存X。

latch

 

always @(*)
    if(g)
      q <= d;

 

在vmerge模式下，当控制信号g未知时，输出信号q的值不变。

在tmerge模式下，当控制信号g未知时，分配给q的合并值取决于q和d的值。

在xmerge模式下，当控制信号g未知时，输出信号q的值始终为X。

当xprop仿真过程中出现X态报错时，需要看波形以具体分析是寄存器没有初始化值，存在X态导致的，还是代码逻辑中存在问题导致的。       

审核编辑：刘清