時(shí)序問題常見的跨時(shí)鐘域亞穩(wěn)態(tài)問題

今天寫一下時(shí)序問題常見的跨時(shí)鐘域的亞穩(wěn)態(tài)問題。

先說明一下亞穩(wěn)態(tài)問題：

D觸發(fā)器有個(gè)明顯的特征就是建立時(shí)間（setup time）和保持時(shí)間（hold time）

如果輸入信號(hào)在建立時(shí)間和保持時(shí)間發(fā)生變化，則可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，如果在時(shí)鐘上升沿也就是D觸發(fā)器采樣期間，輸入點(diǎn)評(píng)判斷為1則輸出為1，如果是0則輸出為0，另外一種情況就是在時(shí)鐘上升沿時(shí)，D在發(fā)生變化，在中間思考跳轉(zhuǎn)很久，但不知道Dinput跳到0還是1（此狀態(tài)出現(xiàn)概率非常低，但會(huì)出現(xiàn)）到下一個(gè)時(shí)鐘還沒有思考好是0還是1，沒有出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，這就是亞穩(wěn)態(tài)。[1]

總結(jié)：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(hào)的釋放相對(duì)于有效時(shí)鐘沿的恢復(fù)時(shí)間（recovery time）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)觸發(fā)器輸出端Q在有效時(shí)鐘沿之后比較長的一段時(shí)間處于不確定的狀態(tài)，在這段時(shí)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(shí)間稱為決斷時(shí)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(jī)的，與輸入沒有必然的關(guān)系。[2]

總結(jié)亞穩(wěn)態(tài)問題產(chǎn)生場(chǎng)景：1）跨時(shí)鐘域的信號(hào)傳輸，由于源信號(hào)時(shí)鐘與目的信號(hào)時(shí)鐘的相移未知，可能導(dǎo)致保持時(shí)間和建立時(shí)間條件不滿足，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。2）異步信號(hào)，最常見的為異步復(fù)位信號(hào)，由于異步信號(hào)不與觸發(fā)器同步時(shí)鐘同步，所以可能導(dǎo)致保持時(shí)間和建立時(shí)間條件不滿足，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

（建立時(shí)間保持時(shí)間條件：數(shù)據(jù)在建立時(shí)間和保持時(shí)間保持穩(wěn)定）

亞穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的后果：

一般情況下亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的后果為產(chǎn)生不可預(yù)知的數(shù)據(jù)，或者在前面所述亞穩(wěn)態(tài)第三種情況可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在數(shù)據(jù)表現(xiàn)方面來說會(huì)產(chǎn)生毛刺、突變等現(xiàn)象。影響系統(tǒng)后續(xù)的邏輯判斷和程序整體運(yùn)行走向。

一般FPGA的建立時(shí)間和保持時(shí)間加起來為1ns左右，所以可以根據(jù)概率論來計(jì)算亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的概率，也就是同步時(shí)鐘周期的倒數(shù)。

亞穩(wěn)態(tài)的串?dāng)_，也就是D觸發(fā)器處于震蕩狀態(tài)時(shí)會(huì)影響后續(xù)觸發(fā)器的狀態(tài)，一般來說如果震蕩狀態(tài)不超過同步時(shí)鐘周期，也就不會(huì)串?dāng)_下一個(gè)觸發(fā)器導(dǎo)致下一個(gè)觸發(fā)器也產(chǎn)生振蕩，一般工程上來講串兩至三個(gè)觸發(fā)器基本就可以保證不串?dāng)_。（是可能不串?dāng)_，不是一定不串?dāng)_，串?dāng)_的可能性很?。?/p>

針對(duì)上述的亞穩(wěn)態(tài)問題，常見的解決方法：

1）通過對(duì)異步信號(hào)邊沿提取實(shí)現(xiàn)異步信號(hào)同步處理，在邊沿提取過程中也要防止亞穩(wěn)態(tài)串?dāng)_，進(jìn)行多寄存器緩存減小亞穩(wěn)態(tài)串?dāng)_的可能性。

2）通過FIFO實(shí)現(xiàn)異步信號(hào)同步處理。

3）對(duì)于異步時(shí)鐘通過異步復(fù)位同步釋放的方法實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)大可能的消除：

異步復(fù)位，同步釋放就是對(duì)異步復(fù)位時(shí)鐘進(jìn)行兩次或兩次以上緩存，盡可能的減少亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部。

在進(jìn)行異步復(fù)位同步釋放的時(shí)候一定能夠要進(jìn)行至少兩次緩存，這樣才能保證亞穩(wěn)態(tài)串?dāng)_的可能性大大降低。

原文標(biāo)題：【FPGA】幾種時(shí)序問題的常見解決方法

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