亞穩(wěn)態(tài)理論知識(shí) 如何減少亞穩(wěn)態(tài)

01亞穩(wěn)態(tài)理論

亞穩(wěn)態(tài)（Metastability）是由于輸入信號(hào)違反了觸發(fā)器的建立時(shí)間（Setup time）或保持時(shí)間（Hold time）而產(chǎn)生的。建立時(shí)間是指在時(shí)鐘上升沿到來前的一段時(shí)間，數(shù)據(jù)信號(hào)就要提前準(zhǔn)備好并穩(wěn)定，保持時(shí)間是指時(shí)鐘上升沿到來后的一段時(shí)間，數(shù)據(jù)信號(hào)需要保持住。建立時(shí)間和保持時(shí)間是觸發(fā)器的固有屬性，由工藝決定。

如果數(shù)據(jù)信號(hào)在亞穩(wěn)態(tài)窗口內(nèi)發(fā)生變化，那么觸發(fā)器的輸出就會(huì)變成一段時(shí)間的“未知態(tài)”。這種狀態(tài)對(duì)于電路而言是有害的，且需要一段時(shí)間才能回到穩(wěn)定狀態(tài)。

眾所周知，數(shù)字電路中的穩(wěn)定狀態(tài)“0”或“1”一般是由TTL電平?jīng)Q定，所謂的亞穩(wěn)態(tài)就是當(dāng)觸發(fā)器電平工作在低電平與高電平之間的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)一般會(huì)在1到2個(gè)時(shí)鐘周期恢復(fù)到“0”或“1”的穩(wěn)定狀態(tài)，但是無法確定到底回到哪個(gè)穩(wěn)態(tài)。

如同在一個(gè)小土坡上滾一個(gè)球，當(dāng)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，可能“推力”較大，球翻過了山坡，最后回到了穩(wěn)態(tài)“1”；也可能“推力”不足，球又回滾到穩(wěn)態(tài)“0”，這種情況下，輸出就可能產(chǎn)生毛刺。

02如何減少亞穩(wěn)態(tài)

實(shí)際設(shè)計(jì)中，可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的原因有：

1. 輸入信號(hào)是異步信號(hào)；
2. 時(shí)鐘偏移、擺動(dòng)（上升/下降時(shí)間）高于容限值；
3. 信號(hào)在兩個(gè)沒有固定相位關(guān)系的時(shí)鐘域進(jìn)行跨時(shí)鐘域工作；
4. 組合延遲使得觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入在亞穩(wěn)態(tài)窗口發(fā)生。

一個(gè)最簡(jiǎn)單粗暴的解決辦法就是確保時(shí)鐘周期足夠長(zhǎng)來避免亞穩(wěn)態(tài)，這個(gè)時(shí)鐘周期要大于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的解析時(shí)間，也要大于通往下一級(jí)觸發(fā)器路徑上的任何邏輯延遲，不過這樣做與性能要求相悖，實(shí)用性不大。因此實(shí)際工作中往往通過解決時(shí)序上的問題來降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率：

1. 跨時(shí)鐘域傳輸可以采用同步器、握手協(xié)議等；
2. 采用響應(yīng)更快的觸發(fā)器（縮短亞穩(wěn)態(tài)窗口）；
3. 異步信號(hào)的采集可以采用異步FIFO對(duì)跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)；
4. 降低工作頻率（就是增加時(shí)鐘周期，不是優(yōu)選方案）