摘 要： 亞穩(wěn)態(tài)是異步數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的固有現(xiàn)象。針對(duì)FPGA產(chǎn)品研制中的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，分析了其產(chǎn)生的原因，闡述了亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響和評(píng)估方法，并針對(duì)單比特異步傳輸、多比特異步傳輸和復(fù)位三種情況下的亞穩(wěn)態(tài)提出緩解措施。該措施可以在工程實(shí)踐中參考使用。
關(guān)鍵詞： 觸發(fā)器；亞穩(wěn)態(tài)；MTBF；復(fù)位

在進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，往往只關(guān)心“0”和“1”兩種狀態(tài)。然而在工程實(shí)踐中，除了“0”、“1”外還有其他狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)就是其中之一。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器或鎖存器無(wú)法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)[1]。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無(wú)法預(yù)測(cè)該單元的輸出電平，也無(wú)法預(yù)測(cè)何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。在亞穩(wěn)態(tài)期間，觸發(fā)器輸出一些中間級(jí)電平，甚至可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無(wú)用的輸出電平可以沿信號(hào)通道上的各個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)式傳播下去。亞穩(wěn)態(tài)是異步數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的固有現(xiàn)象，但是由于其偶發(fā)性和溫度敏感性的特點(diǎn)，在產(chǎn)品前期測(cè)試過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)。當(dāng)前多個(gè)型號(hào)的FPGA產(chǎn)品研制過(guò)程中暴露的質(zhì)量問(wèn)題均與亞穩(wěn)態(tài)有關(guān)，而且多是在設(shè)備研制后期進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品研制。因此，亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的危害性應(yīng)該引起足夠重視，并在設(shè)計(jì)初期階段應(yīng)采取有效緩解措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。
1 亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因
所有數(shù)字器件（包括FPGA）的信號(hào)傳輸都有一定的時(shí)序要求，以保證每個(gè)器件將捕獲的輸入信號(hào)正確輸出。對(duì)于觸發(fā)器，為了確保操作的可靠性，輸入信號(hào)必須在時(shí)鐘沿的某段時(shí)間（觸發(fā)器的建立時(shí)間）之前保持穩(wěn)定，并且持續(xù)到時(shí)鐘沿之后的某段時(shí)間（觸發(fā)器的保持時(shí)間）才能改變，而且該觸發(fā)器的輸入反映到輸出還需要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)（時(shí)鐘到輸出的時(shí)間）。如果數(shù)據(jù)信號(hào)的變化違反了建立時(shí)間或者保持時(shí)間的要求，則觸發(fā)器的輸出會(huì)處于亞穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，觸發(fā)器的輸出會(huì)在高電平“1”和低電平“0”之間盤(pán)旋一段時(shí)間，這也意味著觸發(fā)器的輸出達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的高或者低電平的狀態(tài)所需要的時(shí)間會(huì)大于時(shí)鐘到輸出的時(shí)間。這樣觸發(fā)器輸出端Q在有效時(shí)鐘沿之后較長(zhǎng)一段時(shí)間處于不確定狀態(tài)，這段時(shí)間稱為決斷時(shí)間。在這段時(shí)間里Q端可能為毛刺、振蕩或某一固定電壓值，而不是等于數(shù)據(jù)輸入端D的值。經(jīng)過(guò)決斷時(shí)間之后Q端將穩(wěn)定到“0”或“1”上，但究竟是“0”還是“1”，是隨機(jī)的，與輸入沒(méi)有必然的聯(lián)系。圖1所示是第一級(jí)觸發(fā)器存在建立時(shí)間或保持時(shí)間沖突時(shí)導(dǎo)致Q1出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的示意圖。

2 亞穩(wěn)態(tài)與系統(tǒng)可靠性
由于亞穩(wěn)態(tài)輸出在穩(wěn)定下來(lái)之前可能是毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，因此亞穩(wěn)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
(1)導(dǎo)致后端電路產(chǎn)生邏輯誤判，尤其是多扇出電路中，由于扇出延時(shí)的差別會(huì)導(dǎo)致各負(fù)載端識(shí)別出不同的邏輯電平，使系統(tǒng)功能發(fā)生紊亂。
(2)輸出0～1之間的中間電壓值還會(huì)使下一級(jí)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，即導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)在系統(tǒng)中傳播。
亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)是一種概率現(xiàn)象，并且結(jié)果正確與否也是一種概率現(xiàn)象。因此，為了便于估算，工程實(shí)踐中提出了一種統(tǒng)計(jì)模型來(lái)評(píng)估亞穩(wěn)態(tài)所造成的危害程度，即平均無(wú)故障時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failures)。MTBF的定義如下[2]：

MTBF的計(jì)算對(duì)象是一個(gè)觸發(fā)器，在實(shí)際中器件生產(chǎn)廠家先通過(guò)特殊的測(cè)試手段得到產(chǎn)品的MTBF，然后再確定公式中的參數(shù)指標(biāo)向外發(fā)布。用戶可以根據(jù)這些參數(shù)指標(biāo)定量計(jì)算當(dāng)前設(shè)計(jì)的可靠性。對(duì)于常用的Actel公司的FPGA和Xilinx SRAM型FPGA，器件廠商均公布了T0和?子的數(shù)值[3-4]，實(shí)際使用時(shí)可以進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。
3 FPGA設(shè)計(jì)中的亞穩(wěn)態(tài)緩解措施
在FPGA設(shè)計(jì)中，只要不滿足內(nèi)部觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間要求，就會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。對(duì)于一個(gè)全同步設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)相位關(guān)系固定，所有觸發(fā)器都由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，雖然在不同點(diǎn)也存在相位差別，但開(kāi)發(fā)工具會(huì)通過(guò)計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)線的走線長(zhǎng)度來(lái)預(yù)測(cè)傳輸延時(shí)，并通過(guò)時(shí)鐘域內(nèi)的時(shí)鐘樹(shù)綜合算法來(lái)求得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間滿足要求，不出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，這也是所有設(shè)計(jì)規(guī)范都推薦采用全同步設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原因。但是，實(shí)際的系統(tǒng)一般都不只有一個(gè)時(shí)鐘，而是一個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng)，例如常見(jiàn)的下行鏈路數(shù)據(jù)復(fù)接設(shè)備，一般是有多少路輸入就有多少個(gè)時(shí)鐘，因而需要分析其中的異步傳輸路徑并采取緩解措施。
3.1 針對(duì)單比特信號(hào)異步傳輸?shù)膩喎€(wěn)態(tài)緩解措施
(1)慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快時(shí)鐘域（兩者周期相差1倍以上）
慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快速時(shí)鐘域是工程實(shí)踐中遇到最多的一種情況，輸入信號(hào)從CLK1時(shí)鐘域進(jìn)入到CLK2時(shí)鐘域時(shí)可以通過(guò)兩級(jí)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)的方式來(lái)緩解亞穩(wěn)態(tài)，具體電路如圖3所示。

圖3電路中，由于無(wú)法預(yù)知異步輸入信號(hào)ASY_IN的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，所以同步器第一級(jí)觸發(fā)器的輸出Q1存在亞穩(wěn)態(tài)，該信號(hào)通過(guò)FPGA布線路徑傳輸至第二級(jí)觸發(fā)器的輸入端。設(shè)CLK2的時(shí)鐘周期為T(mén)，且假定CLK2到兩個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘延時(shí)相等（即偏斜為零），第一級(jí)觸發(fā)器輸出到第二級(jí)觸發(fā)器輸入端的路徑傳輸延時(shí)為tnet，其余時(shí)序參數(shù)定義同圖1。則只要滿足tco+tres+tnet+tsu≤T，Q1就有足夠的時(shí)間從亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)至穩(wěn)定態(tài)，并滿足第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間要求，所以第二級(jí)觸發(fā)器的輸出是穩(wěn)定態(tài)。同時(shí)還要注意的是，信號(hào)在CLK2時(shí)鐘域內(nèi)會(huì)有T~2T的延時(shí)。
設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)增加觸發(fā)器級(jí)聯(lián)的數(shù)目來(lái)獲得更大的MTBF，但是這樣會(huì)進(jìn)一步增大信號(hào)延時(shí)并占用更多FPGA資源。綜合考慮現(xiàn)有FPGA器件工藝和電氣參數(shù)，一般情況下，二級(jí)觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)已經(jīng)可以滿足實(shí)際要求了。
(2)慢時(shí)鐘域信號(hào)進(jìn)入快時(shí)鐘域（兩者周期相差1倍以內(nèi)）
從亞穩(wěn)態(tài)的機(jī)理可以知道，圖3中Q1的亞穩(wěn)態(tài)恢復(fù)結(jié)果可能是“0”也可能是“1”，所以要求CLK1的周期必須是CLK2周期的2倍以上,才能保證當(dāng)異步輸入信號(hào)為單周期脈沖時(shí)，在CLK2時(shí)鐘域信號(hào)不丟失。所以對(duì)于兩個(gè)時(shí)鐘周期相差1倍以內(nèi)的情況，圖3的電路是不合適的，可以采用圖4所示的脈沖擴(kuò)展同步電路來(lái)緩解亞穩(wěn)態(tài)。