FPGA中復(fù)位電路的亞穩(wěn)態(tài)技術(shù)詳解

1. 應(yīng)用背景

1.1 亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生原因

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(fù)位過程中復(fù)位信號(hào)的釋放相對(duì)于有效時(shí)鐘沿的恢復(fù)時(shí)間（recovery time）不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)觸發(fā)器輸出端Q在有效時(shí)鐘沿之后比較長(zhǎng)的一段時(shí)間處于不確定的狀態(tài)，在這段時(shí)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(shí)間稱為決斷時(shí)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(jī)的，與輸入沒有必然的關(guān)系。

1.2 亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生場(chǎng)合

只要系統(tǒng)中有異步元件，亞穩(wěn)態(tài)就是無法避免的，亞穩(wěn)態(tài)主要發(fā)生在異步信號(hào)檢測(cè)、跨時(shí)鐘域信號(hào)傳輸以及復(fù)位電路等常用設(shè)計(jì)中。

1.3 亞穩(wěn)態(tài)危害

由于產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，寄存器Q端輸出在穩(wěn)定下來之前可能是毛刺、振蕩、固定的某一電壓值。在信號(hào)傳輸中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)就會(huì)導(dǎo)致與其相連其他數(shù)字部件將其作出不同的判斷，有的判斷到“1”有的判斷到“0”，有的也進(jìn)入了亞穩(wěn)態(tài)，數(shù)字部件就會(huì)邏輯混亂。在復(fù)位電路中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)位失敗。怎么降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率成了FPGA設(shè)計(jì)需要重視的一個(gè)注意事項(xiàng)。

2. 理論分析

2.1 信號(hào)傳輸中的亞穩(wěn)態(tài)

在同步系統(tǒng)中，輸入信號(hào)總是系統(tǒng)時(shí)鐘同步，能夠達(dá)到寄存器的時(shí)序要求，所以亞穩(wěn)態(tài)不會(huì)發(fā)生。亞穩(wěn)態(tài)問題通常發(fā)生在一些跨時(shí)鐘域信號(hào)傳輸以及異步信號(hào)采集上。

它們發(fā)生的原因如下：

（1）在跨時(shí)鐘域信號(hào)傳輸時(shí)，由于源寄存器時(shí)鐘和目的寄存器時(shí)鐘相移未知，所以源寄存器數(shù)據(jù)發(fā)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可能在任何時(shí)間到達(dá)異步時(shí)鐘域的目的寄存器，所以無法保證滿足目的寄存器Tsu和Th的要求；

（2）在異步信號(hào)采集中，由于異步信號(hào)可以在任意時(shí)間點(diǎn)到達(dá)目的寄存器，所以也無法保證滿足目的寄存器Tsu和Th的要求；

當(dāng)數(shù)據(jù)在目的寄存器Tsu-Th時(shí)間窗口發(fā)生變化，也即當(dāng)數(shù)據(jù)的建立時(shí)間或者保持時(shí)間不滿足時(shí)，就可能發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。如圖3.1所示。

由圖可知，當(dāng)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后Tco時(shí)間后會(huì)有Tmet（決斷時(shí)間）的振蕩時(shí)間段，當(dāng)振蕩結(jié)束回到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)為“0”或者“1”，這個(gè)是隨機(jī)的。因此，會(huì)對(duì)后續(xù)電路判斷造成影響。

2.2 復(fù)位電路的亞穩(wěn)態(tài)

2.2.1 異步復(fù)位電路

在復(fù)位電路設(shè)計(jì)中，復(fù)位信號(hào)基本都是異步的，常用異步復(fù)位電路Verilog描述如下：

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

       if(!rst_n) a <= 1’b0;

       else         a <= b;

end

綜合出來復(fù)位電路模型如圖3.2所示：

如圖3.3所示，為復(fù)位電路復(fù)位時(shí)序圖。如果異步復(fù)位信號(hào)的撤銷時(shí)間在Trecovery（恢復(fù)時(shí)間）和Tremoval（移除時(shí)間）之內(nèi)，那勢(shì)必造成亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，輸出在時(shí)鐘邊沿的Tco后會(huì)產(chǎn)生振蕩，振蕩時(shí)間為Tmet（決斷時(shí)間），最終穩(wěn)定到“0”或者“1”，就會(huì)可能造成復(fù)位失敗。

2.2.2 同步復(fù)位電路的亞穩(wěn)態(tài)

在復(fù)位電路中，由于復(fù)位信號(hào)是異步的，因此，有些設(shè)計(jì)采用同步復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位，并且絕大多數(shù)資料對(duì)于同步復(fù)位電路都認(rèn)為不會(huì)發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，其實(shí)不然，同步電路也會(huì)發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，只是幾率小于異步復(fù)位電路。

如下面verilog代碼對(duì)同步復(fù)位電路的描述。

always @(posedge clk)

begin

       if(!rst_n) a <= 1’b0;

       else         a <= b;

end

綜合出硬件電路如圖3.4所示。

在此，我們不討論同步復(fù)位的消耗資源問題，只討論同步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生情況。

當(dāng)輸入端Din為高電平，而且復(fù)位信號(hào)的撤銷時(shí)間在clk的Tsu和Th內(nèi)時(shí)候，亞穩(wěn)態(tài)就隨之產(chǎn)生了。如圖3.5時(shí)序所示，當(dāng)復(fù)位撤銷時(shí)間在clk的Tsu和Th內(nèi)，輸入數(shù)據(jù)為“1”，通過和輸入數(shù)據(jù)相與后的數(shù)據(jù)也在clk的Tsu和Th內(nèi)，因此，勢(shì)必會(huì)造成類似異步信號(hào)采集的亞穩(wěn)態(tài)情況。

2.3 亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生概率以及串?dāng)_概率

在實(shí)際的FPGA電路設(shè)計(jì)中，常常人們想的是怎么減少亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響，很少有人考慮怎么才能減少亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生幾率，以及亞穩(wěn)態(tài)串?dāng)_的概率問題。

2.3.1 亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率

由上面分析得知，系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的都是由于clk的Tsu和Th不滿足，又或者是復(fù)位信號(hào)的移除和恢復(fù)時(shí)間不滿足。常用FPGA器件的Tsu+Th約等于1ns，復(fù)位移除和恢復(fù)時(shí)間相加約等于1ns。

當(dāng)異步信號(hào)不是一組數(shù)據(jù)，或者信號(hào)量較少，那就需要對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理，例如對(duì)一個(gè)異步脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，只要脈沖信號(hào)變化發(fā)生在時(shí)鐘Tsu和Th窗口內(nèi)，那就很可能會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的概率大概為：

概率 = （建立時(shí)間 + 保持時(shí)間）/ 采集時(shí)鐘周期 （公式3-1）

由公式3-1可以看出，隨著clk頻率的增加，亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的幾率是增加的。

例如，為系統(tǒng)采用100M時(shí)鐘對(duì)一個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行采集，采集時(shí)鐘周期為10ns，那采集產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為：1ns/10ns = 10%

同理采用300M時(shí)鐘對(duì)一個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行采集，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為：1ns/3.3ns = 30%

如果采用三相相位差為120°的時(shí)鐘對(duì)一個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行采集，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率接近90%

所以在異步信號(hào)采集過程中，要想減少亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率：
1） 降低系統(tǒng)工作時(shí)鐘，增大系統(tǒng)周期，亞穩(wěn)態(tài)概率就會(huì)減?。?br /> 2） 采用工藝更好的FPGA，也就是Tsu和Th時(shí)間較小的FPGA器件；

2.3.2 亞穩(wěn)態(tài)的串?dāng)_概率

使用異步信號(hào)進(jìn)行使用的時(shí)候，好的設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理，同步一般采用多級(jí)D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)處理，如圖3.6所示，采用三級(jí)D觸發(fā)器對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理。

這種模型大部分資料都說的是第一級(jí)寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，第二級(jí)寄存器穩(wěn)定輸出概率為90%，第三極寄存器穩(wěn)定輸出的概率為99%，如果亞穩(wěn)態(tài)跟隨電路一直傳遞下去，那就會(huì)另自我修護(hù)能力較弱的系統(tǒng)直接崩潰。接下來我們分析這種串?dāng)_的概率問題。

如圖3.7所示為一個(gè)正常第一級(jí)寄存器發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)，第二級(jí)、第三極寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)時(shí)序模型。

由上圖可以看出，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)寄存器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過Tmet的振蕩穩(wěn)定后，第二級(jí)寄存器能采集到一個(gè)穩(wěn)定的值。但是為什么第二級(jí)寄存器還是可能會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)呢？

由于振蕩時(shí)間Tmet是受到很多因素影響的，所以Tmet時(shí)間又長(zhǎng)有短，所以當(dāng)Tmet時(shí)間長(zhǎng)到大于一個(gè)采集周期后，那第二級(jí)寄存器就會(huì)采集到亞穩(wěn)態(tài)。如圖3.8所示。

由上圖可知，第二級(jí)也是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，所以在這種情況下，亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生了串?dāng)_，從第一級(jí)寄存器傳到了第二級(jí)寄存器，同樣也可能從第二級(jí)寄存器串?dāng)_到第三級(jí)寄存器。這樣會(huì)讓設(shè)計(jì)邏輯判斷出錯(cuò)，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)傳輸，可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)奔潰。

2.3.3 亞穩(wěn)態(tài)振蕩時(shí)間Tmet

亞穩(wěn)態(tài)震蕩時(shí)間Tmet關(guān)系到后級(jí)寄存器的采集穩(wěn)定問題，Tmet影響因素包括：器件的生產(chǎn)工藝、溫度、環(huán)境以及寄存器采集到亞穩(wěn)態(tài)離穩(wěn)定態(tài)的時(shí)刻等。甚至某些特定條件，如干擾、輻射等都會(huì)造成Tmet增長(zhǎng)。

3. 應(yīng)用分析

有亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生，我們就要對(duì)亞穩(wěn)態(tài)進(jìn)行消除，常用對(duì)亞穩(wěn)態(tài)消除有三種方式：
（1）對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理；
（2）采用FIFO對(duì)跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)通信進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)；
（3）對(duì)復(fù)位電路采用異步復(fù)位、同步釋放方式處理。

3.1.1 對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步提取邊沿

在異步通信或者跨時(shí)鐘域通信過程中，最常用的就是對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步提取邊沿處理。對(duì)一個(gè)異步信號(hào)進(jìn)行提取上升沿通常采用程序清單 4.1所示。

程序清單 4.1 雙極寄存器提取邊沿

input sig_nsyn;

wire sig_nsyn_p;

reg[1:0] sig_nsyn_r;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n) sig_nsyn_r <= 2’d0;

else sig_nsyn_r <= { sig_nsyn_r [0], sig_nsyn };

end

assign sig_nsyn_p = sig_nsyn_r[0] & ~sig_nsyn_r[1];

這種邊沿提取方式對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)是不合適的，例如：當(dāng)?shù)谝患?jí)寄存器采集到亞穩(wěn)態(tài)，那勢(shì)必造成sig_nsyn_p輸出亞穩(wěn)態(tài)，這樣就會(huì)對(duì)采用sig_nsyn_p的信號(hào)進(jìn)行判斷的電路造成影響，甚至判斷出錯(cuò)誤的值。

根據(jù)3.3.1小節(jié)的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生概率，如果在100M時(shí)種下那第一級(jí)寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率約為10%，隨著系統(tǒng)采集頻率升高，那產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的概率也會(huì)隨之上升。因此，在進(jìn)行異步信號(hào)跨頻提取邊沿時(shí)候，一般采用多進(jìn)行一級(jí)寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)，可能在系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的情況下，采用更多級(jí)寄存器來消除亞穩(wěn)態(tài)，如程序清單 4.2所示，即為采用4級(jí)寄存器消除亞穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的邊沿信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間就晚了兩個(gè)時(shí)鐘周期。

程序清單 4.2 多級(jí)寄存器提取邊沿信號(hào)

input sig_nsyn;

wire sig_nsyn_p;

reg[3:0] sig_nsyn_r;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n) sig_nsyn_r <= 2’d0;

else sig_nsyn_r <= { sig_nsyn_r [2::0], sig_nsyn };

end

assign sig_nsyn_p = sig_nsyn_r[2] & ~sig_nsyn_r[3];

3.1.2 FIFO進(jìn)行異步跨頻數(shù)據(jù)處理

當(dāng)數(shù)據(jù)流從一個(gè)時(shí)鐘域到另一個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)候，絕大多數(shù)情況下都采用FIFO來作為中間緩沖，采用雙時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)緩沖，就可以避免亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。

3.1.3 異步復(fù)位，同步釋放

對(duì)于復(fù)位情況下的亞穩(wěn)態(tài)，常常是由于恢復(fù)時(shí)間和移除時(shí)鐘不滿足造成的，因此，最常用的處理方式是采用異步復(fù)位、同步釋放。常用電路模型如所示。采用第二級(jí)寄存器輸出作為全局復(fù)位信號(hào)輸出。

程序清單 4.3 異步復(fù)位處理

wire sys_rst_n;

reg [1:0] rst_r;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n) rst_r <= 2’d0;

else rst_r <= {rst_r[0], 1’b1};

end

assign sys_rst_n = rst_r[1];

通過上面三種方式處理異步信號(hào)、異步數(shù)據(jù)、以及異步復(fù)位可有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。減少亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。