歡迎大俠來到FPGA技術(shù)江湖新欄目今日說“法”，當(dāng)然，在這里我們肯定不是去研究討論法律法規(guī)知識，那我們討論什么呢，在這里我們討論的是產(chǎn)品研發(fā)以及技術(shù)學(xué)習(xí)時一些小細(xì)節(jié)小方法等，歡迎大家一起學(xué)習(xí)交流。今天帶來讓FPGA設(shè)計中的亞穩(wěn)態(tài)“無處可逃”，話不多說，上貨。

說起亞穩(wěn)態(tài)，首先我們先來了解一下什么叫做亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：信號在無關(guān)信號或者異步時鐘域之間傳輸時導(dǎo)致數(shù)字器件失效的一種現(xiàn)象。

接下來主要討論在異步時鐘域之間數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，以及如何降低亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象發(fā)生的概率（只能降低，不能消除），這在FPGA設(shè)計（尤其是大工程中）是非常重要的。

亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生：所有的器件都定義了一個信號時序要求，只有滿足了這個要求，才能夠正常的在輸入端獲取數(shù)據(jù)，在輸出端輸出數(shù)據(jù)。正常的數(shù)據(jù)傳遞是：在觸發(fā)時鐘沿前必須有一小段時間(Tsu)用來穩(wěn)定輸入信號（0 or 1）,觸發(fā)時鐘沿之后需要有一小段特定的時間（Th）再次穩(wěn)定一下，最后再經(jīng)過一個特定的始終到輸出延時（Tco）后才有效。如果數(shù)據(jù)的傳遞過程違反了這個時間約束，那么寄存器輸出就會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，此時輸出的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的（在0和1之間游蕩）。但是這種現(xiàn)象并不是絕對的，但是我們在實際設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量避免這種現(xiàn)象。下面我們來循序漸進的分析一下。

背景

1、亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生原因

在FPGA系統(tǒng)中，如果數(shù)據(jù)傳輸中不滿足觸發(fā)器的Tsu和Th不滿足，或者復(fù)位過程中復(fù)位信號的釋放相對于有效時鐘沿的恢復(fù)時間（recovery time）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時觸發(fā)器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間處于不確定的狀態(tài)，在這段時間里Q端在0和1之間處于振蕩狀態(tài)，而不是等于數(shù)據(jù)輸入端D的值。這段時間稱為決斷時間（resolution time）。經(jīng)過resolution time之后Q端將穩(wěn)定到0或1上，但是穩(wěn)定到0或者1，是隨機的，與輸入沒有必然的關(guān)系。

2、亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生場合

只要系統(tǒng)中有異步元件，亞穩(wěn)態(tài)就是無法避免的，亞穩(wěn)態(tài)主要發(fā)生在異步信號檢測、跨時鐘域信號傳輸以及復(fù)位電路等常用設(shè)計中。

3、亞穩(wěn)態(tài)危害

由于產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，寄存器Q端輸出在穩(wěn)定下來之前可能是毛刺、振蕩、固定的某一電壓值。在信號傳輸中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)就會導(dǎo)致與其相連其他數(shù)字部件將其作出不同的判斷，有的判斷到“1”有的判斷到“0”，有的也進入了亞穩(wěn)態(tài)，數(shù)字部件就會邏輯混亂。在復(fù)位電路中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)可能會導(dǎo)致復(fù)位失敗。怎么降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率成了FPGA設(shè)計需要重視的一個注意事項。

理論分析

1、信號傳輸中的亞穩(wěn)態(tài)

在同步系統(tǒng)中，輸入信號總是系統(tǒng)時鐘同步，能夠達(dá)到寄存器的時序要求，所以亞穩(wěn)態(tài)不會發(fā)生。亞穩(wěn)態(tài)問題通常發(fā)生在一些跨時鐘域信號傳輸以及異步信號采集上。

它們發(fā)生的原因如下：

（1）在跨時鐘域信號傳輸時，由于源寄存器時鐘和目的寄存器時鐘相移未知，所以源寄存器數(shù)據(jù)發(fā)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可能在任何時間到達(dá)異步時鐘域的目的寄存器，所以無法保證滿足目的寄存器Tsu和Th的要求；

（2）在異步信號采集中，由于異步信號可以在任意時間點到達(dá)目的寄存器，所以也無法保證滿足目的寄存器Tsu和Th的要求；

當(dāng)數(shù)據(jù)在目的寄存器Tsu-Th時間窗口發(fā)生變化，也即當(dāng)數(shù)據(jù)的建立時間或者保持時間不滿足時，就可能發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。如下圖亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生示意圖所示。

由圖可知，當(dāng)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后Tco時間后會有Tmet（決斷時間）的振蕩時間段，當(dāng)振蕩結(jié)束回到穩(wěn)定狀態(tài)時為“0”或者“1”，這個是隨機的。因此，會對后續(xù)電路判斷造成影響。

2、復(fù)位電路的亞穩(wěn)態(tài)

2.1、異步復(fù)位電路
在復(fù)位電路設(shè)計中，復(fù)位信號基本都是異步的，常用異步復(fù)位電路Verilog描述如下：

綜合出來復(fù)位電路模型如下圖異步復(fù)位電路模型所示：

如下圖異步復(fù)位時序所示，為復(fù)位電路復(fù)位時序圖。如果異步復(fù)位信號的撤銷時間在Trecovery（恢復(fù)時間）和Tremoval（移除時間）之內(nèi)，那勢必造成亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，輸出在時鐘邊沿的Tco后會產(chǎn)生振蕩，振蕩時間為Tmet（決斷時間），最終穩(wěn)定到“0”或者“1”，就會可能造成復(fù)位失敗。

2.2、同步復(fù)位電路的亞穩(wěn)態(tài)

在復(fù)位電路中，由于復(fù)位信號是異步的，因此，有些設(shè)計采用同步復(fù)位電路進行復(fù)位，并且絕大多數(shù)資料對于同步復(fù)位電路都認(rèn)為不會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，其實不然，同步電路也會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，只是幾率小于異步復(fù)位電路。

如下面verilog代碼對同步復(fù)位電路的描述。

綜合出硬件電路如下圖同步復(fù)位電路所示。

在此，我們不討論同步復(fù)位的消耗資源問題，只討論同步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生情況。

當(dāng)輸入端Din為高電平，而且復(fù)位信號的撤銷時間在clk的Tsu和Th內(nèi)時候，亞穩(wěn)態(tài)就隨之產(chǎn)生了。如下圖同步復(fù)位電路時序圖所示，當(dāng)復(fù)位撤銷時間在clk的Tsu和Th內(nèi)，輸入數(shù)據(jù)為“1”，通過和輸入數(shù)據(jù)相與后的數(shù)據(jù)也在clk的Tsu和Th內(nèi)，因此，勢必會造成類似異步信號采集的亞穩(wěn)態(tài)情況。

3、亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生概率以及串?dāng)_概率
在實際的FPGA電路設(shè)計中，常常人們想的是怎么減少亞穩(wěn)態(tài)對系統(tǒng)的影響，很少有人考慮怎么才能減少亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生幾率，以及亞穩(wěn)態(tài)串?dāng)_的概率問題。


3.1、亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率
由上面分析得知，系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的都是由于clk的Tsu和Th不滿足，又或者是復(fù)位信號的移除和恢復(fù)時間不滿足。常用FPGA器件的Tsu+Th約等于1ns，復(fù)位移除和恢復(fù)時間相加約等于1ns。

當(dāng)異步信號不是一組數(shù)據(jù)，或者信號量較少，那就需要對異步信號進行同步處理，例如對一個異步脈沖信號進行采集，只要脈沖信號變化發(fā)生在時鐘Tsu和Th窗口內(nèi)，那就很可能會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的概率大概為：

概率 = （建立時間 + 保持時間）/ 采集時鐘周期

由上述公式可以看出，隨著clk頻率的增加，亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的幾率是增加的。

例如，為系統(tǒng)采用100M時鐘對一個外部信號進行采集，采集時鐘周期為10ns，那采集產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為：1ns/10ns = 10%

同理采用300M時鐘對一個外部信號進行采集，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為：1ns/3.3ns = 30%。如果采用三相相位差為120°的時鐘對一個外部信號進行采集，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率接近90%。所以在異步信號采集過程中，要想減少亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率：

（1） 降低系統(tǒng)工作時鐘，增大系統(tǒng)周期，亞穩(wěn)態(tài)概率就會減小；

（2） 采用工藝更好的FPGA，也就是Tsu和Th時間較小的FPGA器件。

3.2、亞穩(wěn)態(tài)的串?dāng)_概率
使用異步信號進行使用的時候，好的設(shè)計都會對異步信號進行同步處理，同步一般采用多級D觸發(fā)器級聯(lián)處理，如下圖三級寄存器同步所示，采用三級D觸發(fā)器對異步信號進行同步處理。

這種模型大部分資料都說的是第一級寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，第二級寄存器穩(wěn)定輸出概率為90%，第三極寄存器穩(wěn)定輸出的概率為99%，如果亞穩(wěn)態(tài)跟隨電路一直傳遞下去，那就會另自我修護能力較弱的系統(tǒng)直接崩潰。接下來我們分析這種串?dāng)_的概率問題。

如下圖三級寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)所示為一個正常第一級寄存器發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)，第二級、第三極寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)時序模型。

由上圖可以看出，當(dāng)?shù)谝粋€寄存器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過Tmet的振蕩穩(wěn)定后，第二級寄存器能采集到一個穩(wěn)定的值。但是為什么第二級寄存器還是可能會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)呢？

由于振蕩時間Tmet是受到很多因素影響的，所以Tmet時間有長有短，所以當(dāng)Tmet時間長到大于一個采集周期后，那第二級寄存器就會采集到亞穩(wěn)態(tài)。如下圖二級寄存器亞穩(wěn)態(tài)所示。

由上圖可知，第二級也是一個亞穩(wěn)態(tài)，所以在這種情況下，亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生了串?dāng)_，從第一級寄存器傳到了第二級寄存器，同樣也可能從第二級寄存器串?dāng)_到第三級寄存器。這樣會讓設(shè)計邏輯判斷出錯，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)傳輸，可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機奔潰。

3.3、亞穩(wěn)態(tài)振蕩時間Tmet

亞穩(wěn)態(tài)震蕩時間Tmet關(guān)系到后級寄存器的采集穩(wěn)定問題，Tmet影響因素包括：器件的生產(chǎn)工藝、溫度、環(huán)境以及寄存器采集到亞穩(wěn)態(tài)離穩(wěn)定態(tài)的時刻等。甚至某些特定條件，如干擾、輻射等都會造成Tmet增長。

應(yīng)用分析

有亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生，我們就要對亞穩(wěn)態(tài)進行消除，常用對亞穩(wěn)態(tài)消除有三種方式：

對異步信號進行同步處理；

采用FIFO對跨時鐘域數(shù)據(jù)通信進行緩沖設(shè)計；

對復(fù)位電路采用異步復(fù)位、同步釋放方式處理。

1、對異步信號進行同步提取邊沿

在異步通信或者跨時鐘域通信過程中，最常用的就是對異步信號進行同步提取邊沿處理。對一個異步信號進行提取上升沿通常采用如下例子所示。

舉例：雙極寄存器提取邊沿

這種邊沿提取方式對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)是不合適的，例如：當(dāng)?shù)谝患壖拇嫫鞑杉絹喎€(wěn)態(tài)，那勢必造成sig_nsyn_p輸出亞穩(wěn)態(tài)，這樣就會對采用sig_nsyn_p的信號進行判斷的電路造成影響，甚至判斷出錯誤的值。

根據(jù)上述介紹的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生概率，如果在100M時種下那第一級寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率約為10%，隨著系統(tǒng)采集頻率升高，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率也會隨之上升。因此，在進行異步信號跨頻提取邊沿時候，一般采用多進行一級寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)，可能在系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的情況下，采用更多級寄存器來消除亞穩(wěn)態(tài)，如下舉例所示，即為采用4級寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的邊沿信號產(chǎn)生的時間就晚了兩個時鐘周期。

舉例：多級寄存器提取邊沿信號

2、FIFO進行異步跨頻數(shù)據(jù)處理
當(dāng)數(shù)據(jù)流從一個時鐘域到另一個時鐘域的時候，絕大多數(shù)情況下都采用FIFO來作為中間緩沖，采用雙時鐘對數(shù)據(jù)緩沖，就可以避免亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。

3、異步復(fù)位，同步釋放
對于復(fù)位情況下的亞穩(wěn)態(tài)，常常是由于恢復(fù)時間和移除時鐘不滿足造成的，因此，最常用的處理方式是采用異步復(fù)位、同步釋放。常用電路模型如所示。采用第二級寄存器輸出作為全局復(fù)位信號輸出。

舉例：異步復(fù)位處理

通過上面三種方式處理異步信號、異步數(shù)據(jù)、以及異步復(fù)位可有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。減少亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。

通過上述對亞穩(wěn)態(tài)的分析以及各種模式的處理，相信各位大俠應(yīng)該有所收獲，今日說"法"到此結(jié)束，下篇再見，歡迎各位大俠投稿，交流學(xué)習(xí)，共同進步，祝一切安好！