亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生原因、危害及消除方法

·亞穩(wěn)態(tài)問題是數(shù)字電路中很重要的問題，因為現(xiàn)實世界是一個異步的世界，所以亞穩(wěn)態(tài)是無法避免的，并且亞穩(wěn)態(tài)應(yīng)該也是面試?？嫉目键c。

·時序電路將觸發(fā)器和鎖存器當(dāng)作存儲元件，但是這兩種器件都受制于一個稱為亞穩(wěn)定性的狀態(tài)。

亞穩(wěn)態(tài)的原因：

如果鎖存器的一個輸入脈沖太窄，或兩個輸入同時有效，或兩個輸入間隔過小，那么鎖存器可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

而如果數(shù)據(jù)在使能輸入沿的周圍不穩(wěn)定，DFF也會進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。（這個不穩(wěn)定就是在Tsu和Th內(nèi)信號不穩(wěn)定，或者是復(fù)位）

何時會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)：

因為存儲器件很容易進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，所以設(shè)計時應(yīng)該考慮使由于亞穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的系統(tǒng)混亂的信號影響最小。

許多想要以同步方式執(zhí)行的物理系統(tǒng)都具有異步輸入信號，而異步信號時間不可控，所以極易出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的情況。

·那么何為異步信號？

·異步信號就是不能由時鐘控制，或者如果它是由不同域中的時鐘同步的。

亞穩(wěn)態(tài)危害：

因為亞穩(wěn)態(tài)時不確定是0還是1，所以信號會在0，1之間震蕩，就會邏輯混亂。而在復(fù)位電路中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)會使復(fù)位失敗。

一般同步信號下不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)一般出現(xiàn)在異步信號和跨時鐘域的情況下。

1） 在跨時鐘域的情況下，由于兩端的時鐘相移未知，所以在源寄存器發(fā)出的信號可能在任何情況下到目標(biāo)寄存器，無法確定滿足Tsu和Th的要求。

2） 異步信號的輸入也是同理，不確定信號在什么時候到達(dá)。

異步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)

恢復(fù)時間（T recovery）：

指的的異步信號發(fā)生時離下一個clk之間的最短時間，如果異步信號的有效沿在恢復(fù)時間內(nèi)就沒有留給寄存器足夠的時間去恢復(fù)正常，就會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。

去除時間（T removal）：

指的是當(dāng)前clk過去變無效的時間，如果異步信號發(fā)生在去除時間內(nèi)，就會無法屏蔽這個clk，可能這個時鐘仍會起作用，沒有達(dá)到復(fù)位的效果，這也是亞穩(wěn)態(tài)。

·這些情況都指的是異步信號能夠直接改變寄存器的情況。

同步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)

大部分資料表明同步復(fù)位電路不會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，其實同步電路也會發(fā)生，只是幾率小于異步電路。

例如這個電路，din為1時，如果rst無效沿在Tsu和Th內(nèi)，依舊會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的情況。

所以說有異步信號的電路都有亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的機率。

亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率

·亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生情況都是同步信號不滿足set-time,hold-time或者異步信號不滿足恢復(fù)和移除時間。

·概率=（set-time + hold-time）/周期

可以看出隨著頻率變高，亞穩(wěn)態(tài)的概率會隨之變大。

所以可以通過減小頻率，或者使用更好工藝的FPGA來減小Ts和Th。

因為實驗表明帶異步輸入的電路故障修復(fù)的平均時間與退出亞穩(wěn)態(tài)條件所用的時間成指數(shù)關(guān)系，所以依靠同步裝置創(chuàng)建一個用于從亞穩(wěn)態(tài)條件恢復(fù)到正常的緩沖器，可以大大減少電路故障可能性。

一直看到資料說一級寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，兩級就90%沒有亞穩(wěn)態(tài)，三級就99%沒有，一直沒搞懂為什么，現(xiàn)在仔細(xì)梳理一下。

因為第一級產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，通過Tmet（決斷時間）后會穩(wěn)定成一個值，但是也有可能Tmet過長，產(chǎn)生第二級的亞穩(wěn)態(tài)。

亞穩(wěn)態(tài)振蕩時間Tmet

亞穩(wěn)態(tài)震蕩時間Tmet關(guān)系到后級寄存器的采集穩(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)的時刻等。甚至某些特定條件，如干擾、輻射等都會造成Tmet增長。

常用的消除亞穩(wěn)態(tài)的三種辦法

1） 對異步信號進(jìn)行同步處理

2） 采用FIFO對跨時鐘域數(shù)據(jù)通信進(jìn)行緩沖處理

3） 對復(fù)位電路采用異步復(fù)位，同步釋放處理