利用 IDDR 簡(jiǎn)化亞穩(wěn)態(tài)

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

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

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(hào)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(hào)。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(hào)。

在一定的延遲后，寄存器輸出端隨后將信號(hào)發(fā)送到FPGA的其他部分。不過(guò)，如果信號(hào)傳輸違反了指定時(shí)間要求，那么輸出寄存器可能就會(huì)進(jìn)入所謂的亞穩(wěn)態(tài)，這就導(dǎo)致寄存器輸出值會(huì)在高低狀態(tài)之間波動(dòng)，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(wú)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(wèn)題
一般來(lái)說(shuō)，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(jí)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(jí)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(hào)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(hào)問(wèn)題。亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)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(huì)按數(shù)量級(jí)減少。

為了降低亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)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(duì)相鄰的寄存器。

由于不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，因此必須做好解決問(wèn)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(lái)估算從問(wèn)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(shuō)明設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性越高。如果發(fā)生了“故障”，只是說(shuō)明沒(méi)有解決亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，并不是系統(tǒng)本身真的出現(xiàn)了故障。

如欲了解測(cè)量亞穩(wěn)態(tài)的方法，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：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(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(guò)改進(jìn)寄存器單元的架構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)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(lái)改進(jìn)MTBF。

高層代碼與布局圖
如果發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)存在潛在的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)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(dòng)的寄存器鏈就能解決此問(wèn)題。這需要提供如圖1所示的電路。