《硬件架构的艺术》读书笔记:Chapter 1 亚稳态的世界
创始人
2025-05-30 12:29:58
0

Chapter 1 亚稳态的世界

chapter1_亚稳态的世界

一、简介

  • 同步系统中,数据和时钟有固定的因果关系(在同一时钟域(Clock Domains))中,只要数据和时钟满足建立时间和保持时间的要求,不会产生亚稳态(meastable)

    静态时序分析(STA) 就是基于同步电路设计模型而出现的,其目的一方面是增加同步时钟的稳定性,从而减少亚稳态的发生,另一方面通过附加约束可以控制逻辑的综合(DC)、映射(Map)、布局(Place)、布线(Route),以减少逻辑和布线延时,从而提高工作频率。

  • 异步系统中,数据和时钟关系不固定,可能违反建立保持时间,就会输出介于两个有效状态之间的中间级电平,且无法确定停留在中间状态的时间,或者过了一定的延迟后才能正常转换,这就是亚稳态

二、亚稳态理论

1.产生原因及现象

  • 亚稳态产生原因:违背了触发器的建立时间或保持时间。
  • 现象:触发器的输出产生毛刺(输出在高低电平之间波动),或者暂时保持在不稳定状态且需要较长时间才能回到稳定状态。

image-20230317200051333

tsu:建立时间(setup time)

th:保持时间(hold time)

tco:时钟到输出的延迟(clock-to-output delay)

tMET:亚稳态输出恢复到稳定状态所需的超过tco的额外时间部分(settling time)

  • 并非所有不满足建立时间和保持时间的输入变化都会导致亚稳态,触发器是否进入亚稳态和返回稳态的时间还取决于生产工艺和外界环境。
  • 一般来说,触发器在进入亚稳态之后,一两个周期就会回到稳态

2.同步失败

​ 如下图,信号在一个时钟域(src_data_in)里变换,在另一个时钟域(dest_data_in)内采样,导致输出变成亚稳态。

image-20230317202127933

三、亚稳态窗口

image-20230317202219028
  • 亚稳态窗口(Metastability Windows)具有特定的时间长度,在这段时间内输入信号的数据保持不变。如果发生变化,输出就可能编程亚稳态。如上图1.4所示,建立时间和保持时间共同决定了亚稳态窗口的宽度。

  • 窗口越大,进入亚稳态的概率越大,因此一般新的逻辑器件都会有更小的亚稳态窗口。

四、计算MTBF(故障率倒数)

  • MTBF(Mean/Average Time Between Failures,平均无故障时间),即故障率倒数.

  • 对于单级同步器
    1FailureRate=MTBF1=e(tr/τ)Wfcfd\frac{1}{FailureRate}=MTBF_1=\frac{e(t_r/\tau)}{Wf_cf_d} FailureRate1​=MTBF1​=Wfc​fd​e(tr​/τ)​

    公式成立条件:该同步器具有跟定的时钟频率,并且在该时钟周期内具有均匀概率密度

​ 式中,tr=t_r=tr​=允许超出器件正常传输延迟时间的解析时间

​ τ=\tau=τ=触发器的亚稳态(解析)时间常数

​ W=W=W=亚稳态窗口

​ fc=f_c=fc​=时钟频率

​ fd=f_d=fd​=异步信号边沿频率

  • 对于两级同步器
    MTBF2=e(tr1/τ)Wfcfd×e(tr2/τ)MTBF_2=\frac{e(t_{r1}/\tau)}{Wf_cf_d}×e(t_{r2}/\tau) MTBF2​=Wfc​fd​e(tr1​/τ)​×e(tr2​/τ)
    tr1t_{r1}tr1​是第一级同步器的解析时间

    tr2t_{r2}tr2​是第二级同步器的解析时间

可以看出,增大同步级数可以显著提高MTBF

五、避免亚稳态

  • 避免亚稳态,当然要从能造成亚稳态的条件入手——违背建立/保持时间,以下条件中,信号可能违背时序要求:

    • 输入信号是异步信号

    • 时钟偏移(Clock Skew)和时钟抖动(Clock jitter 上升/下降时间)高于容限值。

    • 信号在两个不同频率或者相同频率但是相位和偏移不同的时钟域下跨时钟工作。

    • 组合延迟使触发器的数据输入在亚稳态窗口内发生变化。

  • 亚稳态不能根除,但是可以减小亚稳态发生的概率。

  • 最简单的情况下减小亚稳态概率的方法:确保时钟周期足够长,但是会影响性能,并不实用

另一种避免亚稳态的方法就是使用同步器:

1.使用多级同步器

  • 避免亚稳态最常见的方法:在跨时钟域的信号上加一个或多个同步触发器。

    **缺点:**增加了观察同步逻辑输入的延迟。

image-20230317214242801

2.使用时钟倍频电路的多级同步器

  • 多级同步器**缺点:**系统需要花较长时间去响应异步输入。

    **解决方法:**使用倍频时钟作为两个同步触发器的时钟输入。Altera的FPGA中就具有这项技术。

image-20230317214346141

​ 这样不仅能让系统一个周期响应一个异步输入,而且改善了MTBF。然而倍频时钟会降低MTBF,这个影响比两个触发器引起的偏移 量要大。

​ 两种方法都不能保证同步器阻止亚稳态传播下去,它们仅仅减少了亚稳态发生的概率

3.消除亚稳态常用方法

  • 对异步信号进行同步处理;
  • 采用FIFO对跨时钟域数据通信进行缓冲设计;
  • 对复位电路采用异步复位、同步释放方式处理。

六、亚稳态测试电路

image-20230317214936072

图中,asynv_in的触发器FFAFF_AFFA​是时钟上升沿触发,FFBFF_BFFB​和FFCFF_CFFC​都在时钟下降沿触发,这样做是为了捕捉FFAFF_AFFA​的亚稳态事件。

  • 当发生亚稳态时,异或非门会输出高电平,所以FFDFF_DFFD​捕捉到高电平就代表检测到亚稳态,时序图如下。
image-20230317215547807
  • 由于FFBFF_BFFB​和FFCFF_CFFC​两个触发器是下降沿触发,所以高电平时间减去FFAFF_AFFA​的tcot_cotc​o和FFBFF_BFFB​和FFCFF_CFFC​的建立时间等于稳定时间tMETt_{MET}tMET​。

tMET=Δt−tACNt_{MET} = \Delta t \ -\ t_{ACN} tMET​=Δt − tACN​

七、同步器的类型

一个异步信号不应被两个或者多个同步器所同步,一开始不太理解这句话,google了一下:一个信号扇出到多个同步器之后同步所需的时间不同,可能出现竞争冒险。

  • **模式A:**当异步输入信号比时钟周期大得多时最有效:下面这张图才应该是模式A,图标错了。
image-20230317220152589

**模式B:**第一级触发器输入直接与Vcc相连,输入信号直接连触发器时钟。输入信号短脉冲把q1置为1之后,便会一直保持,直到输出高电平。下面这张图才是模式B。

image-20230317220255283
  • 总结:

    • 信号跨时钟,要采用同步器。

    • clk1,采用模式A,否则采用模式B。

八、亚稳态/综合性建议

  • 采用同步器。
  • 采用响应更块的触发器(缩短亚稳态窗口TWT_WTW​)。
  • 使用亚稳态硬化触发器 (专为高宽带设计并减少为时钟域输入电路而优化的采样时间)。
  • 如图1.6所示,使用级联触发器(两个或多个)作为同步器。如果一个触发器的亚稳态失败概率为PPP,那么N个触发器的亚稳态失败率就是PNP^NPN。
  • 减少采样速率。
  • 避免使用 dV/dt 低的输入信号。

九、[整理]跨时钟域处理方法总结

  • 见另一博客跨时钟域CDC
  • 转载自mhq_martin 亚稳态的产生机理、消除办法 (可以理解为什么打拍)

相关内容

热门资讯

路透解析“马斯克集团”:Spa... SpaceX 凤凰网科技讯 北京时间1月31日,据路透社报道,长期以来,埃隆·马斯克(Elon Mu...
启动“二改” 永辉在京完成21... 北京商报讯(记者 赵述评 实习记者 毛思怡)1月31日,永辉超市北京龙湖长楹天街店经一个多月闭店调改...
《宜宾散装白酒连锁经营规范》团... 近日,由宜宾市酒类协会牵头归口、宜宾安宁酒厂主导起草,四川谊宾酒业、宜宾学院、劲牌南溪酒业等多家本地...
印度牙医博士打造全印首款人形机... 2026 年 1 月 23 日,印度浦那的 Muks Robotics 正式宣布,自主研发的社交人形...
金银价创新高,引发全球“贵金属... 【环球时报记者 倪浩 环球时报特约记者 甄翔】连日来,国际市场金银价格持续大涨。1月29日当天,亚太...
财经观察丨“爱你老己”背后的消... 新华网北京1月31日电岁末年初,一句“爱你老己,明天见”席卷社交网络,成为年轻人自我关怀的新表达。热...
重磅!珠海科技产业集团与农行广... 1月30日,珠海科技产业集团与中国农业银行广东省分行在广州签署全面战略合作协议暨独立授信合作。农行广...
原创 黄... 谁能想到,2026年开年就上演金融魔幻现实主义! 国际黄金1月31日凌晨暴跌9.25%,盘中狂泻12...
云南省本级社会保险基金银行存款... 近日,云南省财政厅、云南省人力资源和社会保障厅、云南省医疗保障局联合印发《云南省本级社会保险基金银行...
病毒在身体里“安家”却相安无事... 很多人听说“乙肝携带者”,总会下意识和“乙肝患者”画上等号,担心自己或身边人被传染,也害怕携带者最终...
库迪确认:取消全场9.9元 来源:滚动播报 (来源:新消费日报) 有消息称,库迪咖啡发布门店价格策略和活动调整通知。通知指出,...
原创 雷... 不知道大家有没有发现,这个周六可能是进入2026年之后最消停的一个周六。因为各品牌基本上都没什么大事...
原创 特... 特朗普对委内瑞拉的举动,表面上看是一场能源棋局,实则背后隐藏着深刻的战略考量。对他而言,掌握能源就意...
原创 李... 01、“私募魔女”李蓓再引争议 半夏投资创始人、“私募魔女”李蓓,最近又成为投资圈的焦点。 1月2...
爱美客:AestheFill产... 上证报中国证券网讯(记者 王子霖)备受医美行业瞩目的AestheFill产品独家经销权纠纷迎来重要进...
雷军明晚直播,在北京小米汽车工... IT之家 1 月 31 日消息,今天午间,小米创办人、董事长兼 CEO 雷军在微博发文宣布,2 月 ...
字节阿里DeepSeek决战春... 新智元报道 编辑:艾伦 【新智元导读】这个春节,中国 AI 迎来「决战时刻」。据《The Info...
皇台酒业开始过年? 富凯摘要:有钱没钱喝酒过年。 作者|欧文 1月30日,白酒板块再现分化行情,皇台酒业却延续强势表现,...
深交所修订可持续发展报告编制指... 上证报中国证券网讯 据深交所1月30日消息,深交所发布实施《深圳证券交易所上市公司自律监管指南第3号...
面试餐饮|新手零经验,小红书开... 有没有餐饮人跟我一样?想靠小红书引流拓客,却卡在第一步:不知道怎么开店、怎么发笔记不踩雷,看着别人的...