在進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)時(shí),，往往只關(guān)心“0”和“1”兩種狀態(tài)。然而在工程實(shí)踐中,，除了“0”,、“1”外還有其他狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)就是其中之一。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器或鎖存器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)[1],。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí),，既無法預(yù)測該單元的輸出電平，也無法預(yù)測何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上,。在亞穩(wěn)態(tài)期間,，觸發(fā)器輸出一些中間級(jí)電平，甚至可能處于振蕩狀態(tài),，并且這種無用的輸出電平可以沿信號(hào)通道上的各個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)式傳播下去,。亞穩(wěn)態(tài)是異步數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的固有現(xiàn)象，但是由于其偶發(fā)性和溫度敏感性的特點(diǎn),，在產(chǎn)品前期測試過程中很難發(fā)現(xiàn),。當(dāng)前多個(gè)型號(hào)的FPGA產(chǎn)品研制過程中暴露的質(zhì)量問題均與亞穩(wěn)態(tài)有關(guān)，而且多是在設(shè)備研制后期進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn),，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品研制,。因此，亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的危害性應(yīng)該引起足夠重視,，并在設(shè)計(jì)初期階段應(yīng)采取有效緩解措施,，以提高系統(tǒng)的可靠性。

1 亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因
    所有數(shù)字器件（包括FPGA）的信號(hào)傳輸都有一定的時(shí)序要求,，以保證每個(gè)器件將捕獲的輸入信號(hào)正確輸出,。對(duì)于觸發(fā)器，為了確保操作的可靠性,，輸入信號(hào)必須在時(shí)鐘沿的某段時(shí)間（觸發(fā)器的建立時(shí)間）之前保持穩(wěn)定，并且持續(xù)到時(shí)鐘沿之后的某段時(shí)間（觸發(fā)器的保持時(shí)間）才能改變,，而且該觸發(fā)器的輸入反映到輸出還需要經(jīng)過一定的延時(shí)（時(shí)鐘到輸出的時(shí)間）,。如果數(shù)據(jù)信號(hào)的變化違反了建立時(shí)間或者保持時(shí)間的要求，則觸發(fā)器的輸出會(huì)處于亞穩(wěn)態(tài),。此時(shí),，觸發(fā)器的輸出會(huì)在高電平“1”和低電平“0”之間盤旋一段時(shí)間，這也意味著觸發(fā)器的輸出達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的高或者低電平的狀態(tài)所需要的時(shí)間會(huì)大于時(shí)鐘到輸出的時(shí)間,。這樣觸發(fā)器輸出端Q在有效時(shí)鐘沿之后較長一段時(shí)間處于不確定狀態(tài),，這段時(shí)間稱為決斷時(shí)間。在這段時(shí)間里Q端可能為毛刺,、振蕩或某一固定電壓值,，而不是等于數(shù)據(jù)輸入端D的值。經(jīng)過決斷時(shí)間之后Q端將穩(wěn)定到“0”或“1”上,，但究竟是“0”還是“1”,，是隨機(jī)的，與輸入沒有必然的聯(lián)系。圖1所示是第一級(jí)觸發(fā)器存在建立時(shí)間或保持時(shí)間沖突時(shí)導(dǎo)致Q1出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的示意圖,。

2 亞穩(wěn)態(tài)與系統(tǒng)可靠性
    由于亞穩(wěn)態(tài)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,，因此亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
    (1)導(dǎo)致后端電路產(chǎn)生邏輯誤判,，尤其是多扇出電路中，由于扇出延時(shí)的差別會(huì)導(dǎo)致各負(fù)載端識(shí)別出不同的邏輯電平,，使系統(tǒng)功能發(fā)生紊亂,。
    (2)輸出0～1之間的中間電壓值還會(huì)使下一級(jí)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，即導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)在系統(tǒng)中傳播,。
    亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)是一種概率現(xiàn)象,，并且結(jié)果正確與否也是一種概率現(xiàn)象。因此,，為了便于估算,，工程實(shí)踐中提出了一種統(tǒng)計(jì)模型來評(píng)估亞穩(wěn)態(tài)所造成的危害程度，即平均無故障時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failures),。MTBF的定義如下[2]：
    
    MTBF的計(jì)算對(duì)象是一個(gè)觸發(fā)器,，在實(shí)際中器件生產(chǎn)廠家先通過特殊的測試手段得到產(chǎn)品的MTBF，然后再確定公式中的參數(shù)指標(biāo)向外發(fā)布,。用戶可以根據(jù)這些參數(shù)指標(biāo)定量計(jì)算當(dāng)前設(shè)計(jì)的可靠性,。對(duì)于常用的Actel公司的FPGA和Xilinx SRAM型FPGA，器件廠商均公布了T0和?子的數(shù)值[3-4],，實(shí)際使用時(shí)可以進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,。
3 FPGA設(shè)計(jì)中的亞穩(wěn)態(tài)緩解措施
    在FPGA設(shè)計(jì)中，只要不滿足內(nèi)部觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間要求,，就會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài),。對(duì)于一個(gè)全同步設(shè)計(jì)來說，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)相位關(guān)系固定,，所有觸發(fā)器都由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng),，雖然在不同點(diǎn)也存在相位差別，但開發(fā)工具會(huì)通過計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)線的走線長度來預(yù)測傳輸延時(shí),，并通過時(shí)鐘域內(nèi)的時(shí)鐘樹綜合算法來求得優(yōu)化的結(jié)構(gòu),，使觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間滿足要求，不出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài),，這也是所有設(shè)計(jì)規(guī)范都推薦采用全同步設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原因,。但是，實(shí)際的系統(tǒng)一般都不只有一個(gè)時(shí)鐘,，而是一個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng),，例如常見的下行鏈路數(shù)據(jù)復(fù)接設(shè)備,，一般是有多少路輸入就有多少個(gè)時(shí)鐘，因而需要分析其中的異步傳輸路徑并采取緩解措施,。
3.1 針對(duì)單比特信號(hào)異步傳輸?shù)膩喎€(wěn)態(tài)緩解措施
    (1)慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快時(shí)鐘域（兩者周期相差1倍以上）
    慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快速時(shí)鐘域是工程實(shí)踐中遇到最多的一種情況,，輸入信號(hào)從CLK1時(shí)鐘域進(jìn)入到CLK2時(shí)鐘域時(shí)可以通過兩級(jí)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)的方式來緩解亞穩(wěn)態(tài)，具體電路如圖3所示,。

    圖3電路中,，由于無法預(yù)知異步輸入信號(hào)ASY_IN的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，所以同步器第一級(jí)觸發(fā)器的輸出Q1存在亞穩(wěn)態(tài),，該信號(hào)通過FPGA布線路徑傳輸至第二級(jí)觸發(fā)器的輸入端,。設(shè)CLK2的時(shí)鐘周期為T，且假定CLK2到兩個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘延時(shí)相等（即偏斜為零）,，第一級(jí)觸發(fā)器輸出到第二級(jí)觸發(fā)器輸入端的路徑傳輸延時(shí)為tnet,，其余時(shí)序參數(shù)定義同圖1。則只要滿足tco+tres+tnet+tsu≤T,，Q1就有足夠的時(shí)間從亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)至穩(wěn)定態(tài),，并滿足第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間要求，所以第二級(jí)觸發(fā)器的輸出是穩(wěn)定態(tài),。同時(shí)還要注意的是,，信號(hào)在CLK2時(shí)鐘域內(nèi)會(huì)有T~2T的延時(shí)。
    設(shè)計(jì)中,，可以通過增加觸發(fā)器級(jí)聯(lián)的數(shù)目來獲得更大的MTBF,，但是這樣會(huì)進(jìn)一步增大信號(hào)延時(shí)并占用更多FPGA資源。綜合考慮現(xiàn)有FPGA器件工藝和電氣參數(shù),，一般情況下,，二級(jí)觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)已經(jīng)可以滿足實(shí)際要求了。
    (2)慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快時(shí)鐘域（兩者周期相差1倍以內(nèi)）
    從亞穩(wěn)態(tài)的機(jī)理可以知道,，圖3中Q1的亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)結(jié)果可能是“0”也可能是“1”,，所以要求CLK1的周期必須是CLK2周期的2倍以上,才能保證當(dāng)異步輸入信號(hào)為單周期脈沖時(shí)，在CLK2時(shí)鐘域信號(hào)不丟失,。所以對(duì)于兩個(gè)時(shí)鐘周期相差1倍以內(nèi)的情況，圖3的電路是不合適的,，可以采用圖4所示的脈沖擴(kuò)展同步電路來緩解亞穩(wěn)態(tài),。
   

3.2 多比特并行信號(hào)異步傳輸?shù)膩喎€(wěn)態(tài)緩解措施
    在許多應(yīng)用中，跨時(shí)鐘域傳送的不只是簡單的單比特信號(hào),，很多時(shí)候是并行數(shù)據(jù)信號(hào)的跨時(shí)鐘域傳輸,。這種情況下，不能簡單地對(duì)并行信號(hào)的每一位獨(dú)立使用圖3所示同步器,。因?yàn)閷?shí)際電路中無法保證并行信號(hào)同時(shí)翻轉(zhuǎn),，這樣做會(huì)導(dǎo)致輸出采集到錯(cuò)誤的信號(hào)值,，對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響。針對(duì)這種應(yīng)用可以采用異步FIFO或雙口RAM來解決[5],。
    在FPGA中,，有現(xiàn)成的RAM硬核，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過開發(fā)工具配置這些RAM的使用方式,，可配成異步FIFO或雙口RAM,。該類存儲(chǔ)器讀寫控制分別采用兩個(gè)完全獨(dú)立的時(shí)鐘域，異步FIFO內(nèi)部采用格雷碼計(jì)數(shù)器進(jìn)行編址,，操作簡單,，提供了現(xiàn)成的半滿、全滿和空信號(hào)（這些信號(hào)均經(jīng)過了跨時(shí)鐘域處理,，可以直接在讀時(shí)鐘域和寫時(shí)鐘域使用）,。當(dāng)采用雙口RAM時(shí)，需要自行處理地址信號(hào)的跨時(shí)鐘域,，此處需要注意的是,，要將多比特的地址信息在各自時(shí)鐘域中轉(zhuǎn)化為單比特，然后再使用單比特同步器來解決,。
3.3 異步復(fù)位過程的亞穩(wěn)態(tài)緩解措施
    異步復(fù)位由于其實(shí)時(shí)性好,、設(shè)計(jì)簡單以及與FPGA底層庫單元（帶異步復(fù)位的觸發(fā)器）結(jié)合性好等特點(diǎn)，受到廣大設(shè)計(jì)師的青睞,，但是在使用過程中往往忽略了其中的亞穩(wěn)態(tài)問題,。類似于觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求，異步復(fù)位信號(hào)在釋放時(shí)有恢復(fù)時(shí)間（Recovery time）和移除時(shí)間（Removal time）的要求,，如圖6所示,。

    圖中，trec為恢復(fù)時(shí)間,，指復(fù)位信號(hào)釋放時(shí)刻與緊隨其后的有效時(shí)鐘沿間的最小時(shí)間,；trem為移除時(shí)間，指時(shí)鐘有效沿時(shí)刻與之后的復(fù)位信號(hào)釋放之間的最小時(shí)間,。這就要求異步復(fù)位釋放時(shí)刻與時(shí)鐘的有效沿盡量遠(yuǎn),，即異步復(fù)位應(yīng)該和時(shí)鐘沒有任何關(guān)系。其實(shí)不然,，對(duì)于觸發(fā)器,，異步復(fù)位信號(hào)對(duì)內(nèi)部保持電路和直接輸出電路都有影響。當(dāng)復(fù)位信號(hào)有效時(shí),，輸出清零,；當(dāng)復(fù)位信號(hào)釋放后，輸出由保持電路決定,，如果復(fù)位信號(hào)釋放時(shí)刻離時(shí)鐘沿太近,，則輸出會(huì)在清零和數(shù)據(jù)保持之間出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài),。
    實(shí)際電路中，可以采用異步復(fù)位同步釋放的方式來緩解復(fù)位導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的影響,。低電平有效的異步復(fù)位同步釋放實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示,。圖7電路既保持了異步復(fù)位實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，又緩解了復(fù)位釋放時(shí)刻的亞穩(wěn)態(tài),，實(shí)際應(yīng)用中可以參考,。

    隨著FPGA功能復(fù)雜度和運(yùn)行頻率的大幅提升，亞穩(wěn)態(tài)已經(jīng)成為危害系統(tǒng)可靠性的重要隱患,，必須在設(shè)計(jì)初期采取緩解措施,，以獲得滿足要求的MTBF，將亞穩(wěn)態(tài)的影響降低至系統(tǒng)允許范圍,。根據(jù)實(shí)際需要,，靈活運(yùn)用文中的緩解措施，便可以減小亞穩(wěn)態(tài)的影響,，提高系統(tǒng)可靠性,。
參考文獻(xiàn)
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