基于IDDR的亞穩(wěn)態(tài)問題解決方案介紹
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在FPGA等同步邏輯數(shù)字器件中，所有器件的寄存器單元都需要預(yù)定義信號時(shí)序以使器件正確地捕獲數(shù)據(jù)，進(jìn)而產(chǎn)生可靠的輸出信號。當(dāng)另一器件將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA時(shí)，F(xiàn)PGA的輸入寄存器必須在時(shí)鐘脈沖邊沿前保證最短的建立時(shí)間和時(shí)鐘脈沖邊沿后的保持時(shí)間，從而確保正常完整地 接收信號。
在一定的延遲后，寄存器輸出端隨后將信號發(fā)送到FPGA的其他部分。不過，如果信號傳輸違反了指定時(shí)間要求，那么輸出寄存器可能就會進(jìn)入所謂的亞穩(wěn)態(tài)，這就導(dǎo)致寄存器輸出值會在高低狀態(tài)之間波動，且這種狀態(tài)的時(shí)間不確定，從而使穩(wěn)定輸出狀態(tài)無法達(dá)到寄存器指定的時(shí)間，進(jìn)而造成性能略有延遲或邏輯行為的副效應(yīng)。
解決問題
一般來說，將FPGA連接到另一個(gè)具有不同時(shí)鐘域的數(shù)字器件時(shí)，必須給FPGA的輸入部分添加一級同步，使FPGA時(shí)鐘域中的第一個(gè)寄存器充當(dāng)同步寄存器。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可在FPGA器件的輸入級中使用一系列寄存器或同步寄存器鏈。該鏈可在輸入寄存器將信號發(fā)送到FPGA的其他區(qū)域之前，允許 能有更多的時(shí)間解決潛在的亞穩(wěn)態(tài)信號問題。亞穩(wěn)態(tài)信號的穩(wěn)定時(shí)間通常比一個(gè)時(shí)鐘周期要短得多，因此即便延遲半個(gè)時(shí)鐘周期，亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的概率也會按數(shù)量級減少。
為了降低亞穩(wěn)態(tài)問題的出現(xiàn)概率，在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的一系列寄存器(連接成移位寄存器)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)要求：
所有寄存器必須由同一時(shí)鐘，或與同一時(shí)鐘相位相關(guān)的時(shí)鐘控制。
鏈中每個(gè)寄存器的扇出都僅針對相鄰的寄存器。
由于不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)問題，因此必須做好解決問題的準(zhǔn)備。為此，設(shè)計(jì)人員采用平均故障間隔時(shí)間(MTBF)這個(gè)指標(biāo)來估算從問題出現(xiàn)并導(dǎo)致故障的兩個(gè)事件間的平均時(shí)間。MTBF值越高，說明設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性越高。如果發(fā)生了“故障”，只是說明沒有解決亞穩(wěn)態(tài)問題，并不是系統(tǒng)本身真的出現(xiàn)了故障。
可用以下方程式計(jì)算出寄存器的MTBF：
在本例中，C1和C2代表寄存器技術(shù)相關(guān)常數(shù)，tMET代表亞穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定時(shí)間。
可根據(jù)每個(gè)寄存器的MTBF，確定總的MTBF值。同步器的故障率為1/MTBF，則將每個(gè)同步器的故障率相加，就能計(jì)算出整個(gè)設(shè)計(jì)的故障率：
從上式可以明顯看出，通過改進(jìn)寄存器單元的架構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)以延長同步寄存器的tMET，甚至增加鏈中寄存器的數(shù)量等多種方法來改進(jìn)MTBF。
高層代碼與布局圖
如果發(fā)現(xiàn)輸入信號存在潛在的亞穩(wěn)態(tài)問題，只需創(chuàng)建與同一時(shí)鐘有相位關(guān)系的時(shí)鐘驅(qū)動的寄存器鏈就能解決此問題。這需要提供如圖1所示的電路。
圖1 同步器鏈的默認(rèn)布置圖
圖中，將寄存器鏈放置在兩個(gè)單元中：第一個(gè)為ILOGIC單元，而另外兩個(gè)寄存器放置在SLICE單元中(選擇具有相同時(shí)鐘的3個(gè)寄存器和鏈)。這是減少亞穩(wěn)態(tài)問題的一種快速且非常簡單的方法，還有其他一些方法不但可減少亞穩(wěn)態(tài)問題，還可優(yōu)化性能。
使用賽靈思邏輯塊的IDDR方法
在Virtex-4和Virtex-5 FPGA中，賽靈思將其ILOGIC模塊直接放置在I/O驅(qū)動器和接收器的后面。該模塊包括4個(gè)存儲元件寄存器和1個(gè)可編程絕對延遲元件。
Virtex-4與Virtex-5器件均采用這4個(gè)寄存器來實(shí)現(xiàn)雙倍數(shù)據(jù)率輸入(IDDR)寄存器，功能設(shè)計(jì)師只需例化IDDR原語便能實(shí)現(xiàn)。這將使 受益匪淺。
這種原語的其中一個(gè)模式稱為SAME_EDGE_PIPELINED。圖2顯示了采用這種模式的DDR輸入寄存器及相關(guān)信號。綠色矩形框顯示了一系列最優(yōu)的寄存器，可用其解決亞穩(wěn)態(tài)問題。此外，使用 IDDR 方法還有一個(gè)優(yōu)勢，即能使用兩三倍之多的主時(shí)鐘，同時(shí)又不會造成任何設(shè)計(jì)時(shí)延問題。
圖2 SAME_EDGE_PIPELINED模式中的輸入DDR
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