今天寫一下時許問題常見的跨時鐘域的亞穩(wěn)態(tài)問題。

先說明一下亞穩(wěn)態(tài)問題：

D觸發(fā)器的原理圖和程序：

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

參照上圖的下方，如果輸入信號在建立時間和保持時間發(fā)生變化，則可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，如果在時鐘上升沿也就是D觸發(fā)器采樣期間，輸入點評判斷為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鐘上升沿時，D在發(fā)生變化，在中間思考跳轉很久，但不知道Dinput跳到0還是1（此狀態(tài)出現(xiàn)概率非常低，但會出現(xiàn)）到下一個時鐘還沒有思考好是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

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，或者復位過程中復位信號的釋放相對于有效時鐘沿的恢復時間（recovery time）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時觸發(fā)器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間處于不確定的狀態(tài)，在這段時間里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。這段時間稱為決斷時間（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，是隨機的，與輸入沒有必然的關系。[2]

總結亞穩(wěn)態(tài)問題產(chǎn)生場景

1）跨時鐘域的信號傳輸，由于源信號時鐘與目的信號時鐘的相移未知，可能導致保持時間和建立時間條件不滿足，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

2）異步信號，最常見的為異步復位信號，由于異步信號不與觸發(fā)器同步時鐘同步，所以可能導致保持時間和建立時間條件不滿足，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

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

亞穩(wěn)態(tài)導致的后果

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)第三種情況可能導致系統(tǒng)崩潰。在數(shù)據(jù)表現(xiàn)方面來說會產(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行走向。

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

亞穩(wěn)態(tài)的串擾，也就是D觸發(fā)器處于震蕩狀態(tài)時會影響后續(xù)觸發(fā)器的狀態(tài)，一般來說如果震蕩狀態(tài)不超過同步時鐘周期，也就不會串擾下一個觸發(fā)器導致下一個觸發(fā)器也產(chǎn)生振蕩，一般工程上來講串兩至三個觸發(fā)器基本就可以保證不串擾。（是可能不串擾，不是一定不串擾，串擾的可能性很?。?

針對上述的亞穩(wěn)態(tài)問題，常見的解決方法

1）通過對異步信號邊沿提取實現(xiàn)異步信號同步處理，在邊沿提取過程中也要防止亞穩(wěn)態(tài)串擾，進行多寄存器緩存減小亞穩(wěn)態(tài)串擾的可能性。

2）通過FIFO實現(xiàn)異步信號同步處理。

3）對于異步時鐘通過異步復位同步釋放的方法實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)大可能的消除：

異步復位，同步釋放就是對異步復位時鐘進行兩次或兩次以上緩存，盡可能的減少亞穩(wěn)態(tài)信號進入到系統(tǒng)內部。

在進行異步復位同步釋放的時候一定能夠要進行至少兩次緩存，這樣才能保證亞穩(wěn)態(tài)串擾的可能性大大降低。（上述代碼為兩次緩存）