亚稳态Metastability和“打两拍”

亚稳态是无法避免的！

 

• Tsu：表示的是在时钟上升沿到来前数据需要保持稳定的最小时长。
• Thd： 表示的是在时钟上升沿到来后数据需要保持稳定的最小时长。
• Tco ​(clock−to−output)：表示的是在时钟到来，这么长时间的延迟之后寄存器输出的数据就可以被读取了（即此时的输出数据是稳定的）

 

亚稳态的影响：

1. 在进入下一个寄存器之前达到1的稳定状态，没有影响，电路正确
2. 在进入下一个寄存器之前达到0的稳定状态，失采（miss samples），电路行为出错，但亚稳态不会传播
3. 在进入下一个寄存器之前无法判决出稳定状态，造成亚稳态传播

 

 

同步寄存器（Synchronizer）和“打两拍”（Two flip-flop synchronizer）

• 打两拍并不能完全消除亚稳态。
• 打两拍并不意味着能正确采样。

 

 

MTBF（Mean Time Between Failure）平均失效间隔时间

C1和 C2是常数，依赖于器件工艺和操作环境。
fCLK和 fDATA参数取决于设计规格: fCLK是接收异步信号的时钟域的时钟频率，fDATA是异步数据的反复频率(toggling frequency)。更快的时钟速率和更快的数据反复(faster-toggling data)会降低平均无故障时间。
tMET参数是亚稳态转稳定时间(vailable metastability settling time)，或者说时序裕量大于寄存器 Tco 可以让潜在的亚稳态信号达到稳定值的时间。tMET 对同步链来说就是链中每个寄存器输出时序裕量的和。 

参考资料

《Metastability in Altera Devices》，Altera AN42，1999

《理解FPGAs中的亚稳态》，Altera，

《Understanding Metastability in FPGAs》，Altera

《Clock Domain Crossing (CDC) Design & Verification Techniques Using SystemVerilog》，Clifford E. Cummings