理解FPGA中的壓穩(wěn)態(tài)

　　本白皮書(shū)介紹FPGA 中的壓穩(wěn)態(tài)，為什么會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，它是怎樣導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗的。介紹怎樣計(jì)算壓穩(wěn)態(tài)MTBF，重點(diǎn)是對(duì)結(jié)果造成影響的各種器件和設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　引言

　　當(dāng)信號(hào)在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域之間傳送時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓穩(wěn)態(tài)，它是導(dǎo)致包括FPGA 在內(nèi)的數(shù)字器件系統(tǒng)失敗的一種現(xiàn)象。本白皮書(shū)介紹FPGA 中的壓穩(wěn)態(tài)，解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，討論它是怎樣導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗的。

　　通過(guò)計(jì)算壓穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)，設(shè)計(jì)人員知道是否應(yīng)采取措施來(lái)降低這類失敗的概率。

　　本白皮書(shū)解釋怎樣利用各種設(shè)計(jì)和器件參數(shù)來(lái)計(jì)算MTBF， FPGA 供應(yīng)商和設(shè)計(jì)人員怎樣提高M(jìn)TBF?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化措施來(lái)降低出現(xiàn)壓穩(wěn)態(tài)失敗的概率，從而提高系統(tǒng)可靠性。

　　什么是壓穩(wěn)態(tài)?

　　FPGA 等數(shù)字器件中的所有寄存器都有確定的信號(hào)時(shí)序要求，使每一個(gè)寄存器能夠正確的采集輸入數(shù)據(jù)，產(chǎn)生輸出信號(hào)。為保證能夠可靠的工作，寄存器輸入必須在時(shí)鐘沿之前穩(wěn)定一段時(shí)間( 寄存器建立時(shí)間，即tSU)，在時(shí)鐘沿之后也要保持穩(wěn)定一段時(shí)間( 寄存器保持時(shí)間，即tH)。一定的時(shí)鐘至輸出延時(shí) (tCO) 之后，寄存器輸出有效。如果信號(hào)轉(zhuǎn)換不能滿足寄存器的tSU 或者tH 要求，寄存器輸出就有可能進(jìn)入壓穩(wěn)態(tài)。在壓穩(wěn)態(tài)中，寄存器輸出在高電平和低電平狀態(tài)之間徘徊一段時(shí)間，這意味著，輸出延時(shí)超出設(shè)定的tCO 之后才能轉(zhuǎn)換到確定的高電平或者低電平狀態(tài)。

　　在同步系統(tǒng)中，輸入信號(hào)必須滿足寄存器時(shí)序要求，因此，不會(huì)出現(xiàn)壓穩(wěn)態(tài)。信號(hào)在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域電路之間傳輸時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)壓穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。在這種情況下，由于信號(hào)可能在相對(duì)于目的時(shí)鐘的任意時(shí)間到達(dá)，因此，設(shè)計(jì)人員不能保證信號(hào)能夠滿足tSU 和tH 要求。然而，并不是所有不能滿足寄存器tSU 或者tH的信號(hào)轉(zhuǎn)換都導(dǎo)致壓穩(wěn)態(tài)輸出。寄存器是否會(huì)進(jìn)入壓穩(wěn)態(tài)以及返回穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間與器件制造工藝以及實(shí)際工作條件有關(guān)。在大部分情況下，寄存器會(huì)很快返回穩(wěn)定狀態(tài)。

　　可以把寄存器在時(shí)鐘邊沿采樣數(shù)據(jù)信號(hào)形象的看成是球從山上滾落下來(lái)，如圖1 所示。山的兩邊代表穩(wěn)定狀態(tài)——信號(hào)轉(zhuǎn)換之后，信號(hào)的老數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)，山頂代表壓穩(wěn)態(tài)。如果球從山頂滾落，它會(huì)處于不確定狀態(tài)，實(shí)際中，它稍偏向一側(cè)，然后，落到山下。從山頂開(kāi)始，越到山腳，球到達(dá)底部穩(wěn)定狀態(tài)的速度越快。

圖 1. 利用球從山上落下描述壓穩(wěn)態(tài)

　　如果數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘沿之后以最小的 tH 轉(zhuǎn)換，這就類似球從山的“老數(shù)據(jù)值”一側(cè)落下，輸出信號(hào)保持在該時(shí)鐘轉(zhuǎn)換的最初值不變。當(dāng)寄存器數(shù)據(jù)輸入在時(shí)鐘沿之前以最小 tSU 轉(zhuǎn)換，保持時(shí)間大于最小 tH，這就類似球從山的“新數(shù)據(jù)值”一側(cè)落下，輸出信號(hào)很快達(dá)到穩(wěn)定的新?tīng)顟B(tài)，滿足確定的tCO 時(shí)間要求。但是，當(dāng)寄存器數(shù)據(jù)輸入不能滿足tSU 或者 tH, 時(shí)，這就類似于球從山頂落下。如果球落在山頂附近，那么，它會(huì)花很長(zhǎng)時(shí)間才能落到山腳，增加了時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定輸出的延時(shí)，超出了要求的tCO。

　　圖2 描述了壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入信號(hào)從低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換到高電平狀態(tài)，不能滿足寄存器的tSU 要求。數(shù)據(jù)輸出信號(hào)從低電平狀態(tài)開(kāi)始，進(jìn)入壓穩(wěn)態(tài)，在高電平和低電平狀態(tài)之間徘徊。信號(hào)輸出A 轉(zhuǎn)換到輸入數(shù)據(jù)的新邏輯1 狀態(tài)，輸出B 返回到數(shù)據(jù)輸入最初的邏輯0 狀態(tài)。在這兩種情況下，輸出轉(zhuǎn)換到確定的1 或者0 狀態(tài)的時(shí)間被延遲了，超出了寄存器要求的tCO。

圖 2. 壓穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)實(shí)例

　　壓穩(wěn)態(tài)什么時(shí)候會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗?

　　如果數(shù)據(jù)輸出信號(hào)在寄存器下次采集數(shù)據(jù)之前，轉(zhuǎn)換到有效狀態(tài)，那么，壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作有不利影響。但是，如果壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)不能在它到達(dá)下一設(shè)計(jì)寄存器之前轉(zhuǎn)換到低電平或者高電平狀態(tài)，那就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。繼續(xù)山和球的形象解釋，當(dāng)球到達(dá)山腳( 穩(wěn)定邏輯狀態(tài)0 或者1) 的時(shí)間超出分配的時(shí)間后，即，寄存器tCO 加上寄存器通路所有時(shí)序余量的時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)失敗。當(dāng)壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)沒(méi)有在分配的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)時(shí)，如果目的邏輯觀察到不一致的邏輯狀態(tài)，即，不同的目的寄存器采集到不同的壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)值，出現(xiàn)邏輯失敗。

　　同步寄存器

　　當(dāng)信號(hào)在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域電路之間傳送時(shí)，在使用該信號(hào)之前，需要將信號(hào)同步到新的時(shí)鐘域。新鐘域中第一個(gè)寄存器起到了同步寄存器的作用。

　　為消除異步信號(hào)傳送時(shí)壓穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的失敗，電路設(shè)計(jì)人員通常在目的時(shí)鐘域中使用多個(gè)串聯(lián)寄存器( 同步寄存器鏈或者同步器)，將信號(hào)重新同步到新時(shí)鐘域上。采用這些寄存器，在設(shè)計(jì)中的其他部分使用壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)之前，該信號(hào)能夠有更多的時(shí)間轉(zhuǎn)換到確定狀態(tài)。同步寄存器至寄存器通路上的時(shí)序余量是壓穩(wěn)態(tài)信號(hào)穩(wěn)定所需要的時(shí)間，被稱為壓穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定時(shí)間。

　　同步寄存器鏈或者同步器是滿足以下要求的寄存器序列：


　　■ 鏈上的寄存器都由相同的或者相位相關(guān)的時(shí)鐘進(jìn)行同步

　　■ 鏈上的第一個(gè)寄存器由不相關(guān)的時(shí)鐘域進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即異步驅(qū)動(dòng)。

　　■ 每個(gè)寄存器只扇出連接一個(gè)寄存器，鏈上的最后一個(gè)寄存器除外。

　　同步寄存器鏈的長(zhǎng)度是滿足以上要求的同步時(shí)鐘域中的寄存器數(shù)量。圖3 是長(zhǎng)度為2 的同步鏈的例子，假設(shè)輸出信號(hào)被送入多個(gè)目的寄存器。

圖 3. 同步寄存器鏈實(shí)例