利用 IDDR 簡化亞穩(wěn)態(tài)

如果在具有多個時鐘的非同步系統(tǒng)中使用FPGA，或者系統(tǒng)中的時鐘頻率或相位與FPGA所使用時鐘頻率或相位不同，那么設(shè)計就會遇到亞穩(wěn)態(tài)問題。不幸的是，如果設(shè)計遇到上述情況，是沒有辦法完全解決亞穩(wěn)態(tài)問題的，不過還是有一些方法可降低系統(tǒng)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)問題的幾率。

先來深入研究一下引起亞穩(wěn)態(tài)的原因，再談?wù)動媚男┓椒右詰?yīng)對。

什么是亞穩(wěn)態(tài)
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，F(xiàn)PGA的輸入寄存器必須在時鐘脈沖邊沿前保證最短的建立時間和時鐘脈沖邊沿后的保持時間，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連接到另一個具有不同時鐘域的數(shù)字器件時，必須給FPGA的輸入部分添加一級同步，使FPGA時鐘域中的第一個寄存器充當(dāng)同步寄存器。為了實現(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)定時間通常比一個時鐘周期要短得多，因此即便延遲半個時鐘周期，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)計中實現(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鐘，或與同一時鐘相位相關(guān)的時鐘控制。

鏈中每個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)計人員采用平均故障間隔時間(MTBF)這個指標(biāo)來估算從問題出現(xiàn)并導(dǎo)致故障的兩個事件間的平均時間。MTBF值越高，說明設(shè)計的穩(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。

如欲了解測量亞穩(wěn)態(tài)的方法，敬請訪問：http://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp094.pdf，查閱賽靈思應(yīng)用指南XAPP094。
可用以下方程式計算出寄存器的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)定時間。

可根據(jù)每個寄存器的MTBF，確定總的MTBF值。同步器的故障率為1/MTBF，則將每個同步器的故障率相加，就能計算出整個設(shè)計的故障率：

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)建與同一時鐘有相位關(guān)系的時鐘驅(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。