基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理——亞穩(wěn)態(tài)

　　在特權(quán)的上篇博文《基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理——專(zhuān)用握手信號(hào)》中提出了使用專(zhuān)門(mén)的握手信號(hào)達(dá)到異步時(shí)鐘域數(shù)據(jù)的可靠傳輸。列舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的由請(qǐng)求信號(hào)req、數(shù)據(jù)信號(hào)data、應(yīng)答信號(hào)ack組成的簡(jiǎn)單握手機(jī)制。riple兄更是提出了req和ack這兩個(gè)直接的跨時(shí)鐘域信號(hào)在被另一個(gè)時(shí)鐘域的寄存器同步時(shí)的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題估計(jì)是整個(gè)異步通信中最值得探討和關(guān)注的。

　　很幸運(yùn)，特權(quán)同學(xué)找到了很官方的說(shuō)法——《Application Note42:Metastability in Altera Devices》，一口氣讀完全文，有一個(gè)單詞送給這篇文章很合適——“nice”。特權(quán)同學(xué)過(guò)去的所有疑惑都在文章中找到了答案，盡管altera在文章的最后只是竭盡全力的在吹捧自己的好。

　　如果你E文還不錯(cuò)(該不會(huì)比我這個(gè)4次都沒(méi)過(guò)掉4級(jí)考試的家伙差吧，~_~)，那么去享受原文吧?；蛘吣憧梢钥紤]看看特權(quán)同學(xué)的翻譯水平，哈哈……

　　什么是亞穩(wěn)態(tài)?

　　所有數(shù)字器件(例如FPGA)的信號(hào)傳輸都會(huì)有一定的時(shí)序要求，從而保證每個(gè)寄存器將捕獲的輸入信號(hào)正確輸出。為了確?？煽康牟僮?，輸入寄存器的信號(hào)必須在時(shí)鐘沿的某段時(shí)間(寄存器的建立時(shí)間Tsu)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(寄存器的保持時(shí)間Th)之后才能改變。而該寄存器的輸入反映到輸出則需要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)(時(shí)鐘到輸出的時(shí)間Tco)。如果數(shù)據(jù)信號(hào)的變化違反了Tsu后者Th的要求，那么寄存器的輸出就會(huì)處于亞穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，寄存器的輸出會(huì)在高電平1和低電平0之間盤(pán)旋一段時(shí)間，這也意味著寄存器的輸出達(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Tco。

　　在同步系統(tǒng)中，輸入信號(hào)總是能夠達(dá)到寄存器的時(shí)序要求，所以亞穩(wěn)態(tài)不會(huì)發(fā)生。亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題通常發(fā)生在一些跨時(shí)鐘域信號(hào)的傳輸上。由于數(shù)據(jù)信號(hào)可能在任何時(shí)間到達(dá)異步時(shí)鐘域的目的寄存器，所以設(shè)計(jì)者無(wú)法保證滿足Tsu和Th的要求。然而，并非所有違反寄存器的Tsu或Th要求的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致輸出亞穩(wěn)態(tài)。某個(gè)寄存器進(jìn)入了亞穩(wěn)態(tài)后重新回到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間取決于器件的制造工藝及工作環(huán)境。在大多數(shù)情況下，寄存器將會(huì)快速的返回穩(wěn)定狀態(tài)。

　　寄存器在時(shí)鐘沿采樣數(shù)據(jù)信號(hào)好比一個(gè)球從小山的一側(cè)拋到另一側(cè)。如圖1所示，小山的兩側(cè)代表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定狀態(tài)——舊的數(shù)據(jù)值或者新的數(shù)據(jù)值;山頂代表亞穩(wěn)態(tài)。如果球被拋到山頂上，它可能會(huì)停在山頂上，但實(shí)際上它只要稍微有些動(dòng)靜就會(huì)滾落到山底。在一定時(shí)間內(nèi)，球滾的越遠(yuǎn)，它達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也就越短。

　　如果數(shù)據(jù)信號(hào)的變化發(fā)生在時(shí)鐘沿的某段時(shí)間之后(Th),就好像球跌落到了小山的“old data value”一側(cè)，輸出信號(hào)仍然保持時(shí)鐘變化前的值不變。如果數(shù)據(jù)信號(hào)的變化發(fā)生在時(shí)鐘沿的某段時(shí)間(Tsu)之前，并且持續(xù)到時(shí)鐘沿之后的某段時(shí)間(Th)都不再變化，那就好像球跌落到了小山的“new data value”一側(cè)，輸出數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為T(mén)co。然而，當(dāng)一個(gè)寄存器的輸入數(shù)據(jù)違反了Tsu或者Th，就像球被拋到了山頂。如果球在山頂停留的越久，那么它到達(dá)山底的時(shí)間也就越長(zhǎng)，這就相應(yīng)的延長(zhǎng)了從時(shí)鐘變化到輸出數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間(Tco)。

　　圖1

　　圖2很好的闡釋了亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)。在時(shí)鐘變化的同時(shí)，寄存器的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)也處于從低電平到高電平的變化狀態(tài)，這就違反了寄存器的Tsu要求。圖中的輸出信號(hào)從低電平變化到亞穩(wěn)態(tài)，即盤(pán)旋于高低電平之間的一個(gè)狀態(tài)。信號(hào)輸出A最終達(dá)到輸入信號(hào)的新?tīng)顟B(tài)值1，信號(hào)輸出B卻返回了輸入信號(hào)的舊狀態(tài)值0。在這兩種情況下，信號(hào)輸出變化穩(wěn)定在固定的1或者0狀態(tài)的時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)了寄存器的固有Tco。

　　圖2

　　如果輸出信號(hào)在下一個(gè)寄存器捕獲數(shù)據(jù)前(下一個(gè)時(shí)鐘鎖存沿的Tsu時(shí)間前)處于一個(gè)穩(wěn)定的有效狀態(tài)，那么亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)不會(huì)對(duì)該系統(tǒng)照成影響。但是如果亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)在下一個(gè)寄存器捕獲數(shù)據(jù)時(shí)仍然盤(pán)旋于高或者低電平之間，那將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)電路產(chǎn)生影響。繼續(xù)討論球和小山的比喻，當(dāng)球到達(dá)山底的時(shí)間(處于穩(wěn)定的邏輯值0或1)超過(guò)了扣除寄存器Tco以外的余量時(shí)間，那么問(wèn)題就隨著而來(lái)。

　　同步寄存器

　　當(dāng)信號(hào)變化處于一個(gè)不相關(guān)的電路或者以不時(shí)鐘域，它在被使用前就需要先被同步到新的時(shí)鐘域中。新的時(shí)鐘域中的第一個(gè)寄存器將扮演同步寄存器的角色。

　　為了盡可能減少異步信號(hào)傳輸中由于亞穩(wěn)態(tài)引發(fā)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者通常在目的時(shí)鐘域中使用一串連續(xù)的寄存器(同步寄存器鏈或者同步裝置)將信號(hào)同步到新的時(shí)鐘域中。這些寄存器有額外的時(shí)間用于信號(hào)在被使用前從亞穩(wěn)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定值。同步寄存器到寄存器路徑的時(shí)序余量，也就是亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定的最大時(shí)間，也被認(rèn)為是亞穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間。

　　同步寄存器鏈，或者同步裝置，被定義為一串達(dá)到以下要求的連續(xù)寄存器：

　　■ 鏈中的寄存器都由相同的時(shí)鐘或者相位相關(guān)的時(shí)鐘觸發(fā);

　　■ 鏈中的第一個(gè)寄存器由不相關(guān)時(shí)鐘域或者是異步的時(shí)鐘來(lái)觸發(fā);

　　■ 每個(gè)寄存器的扇出值都為1，鏈中的最后一個(gè)寄存器可以例外。

　　同步寄存器鏈的長(zhǎng)度就是達(dá)到以上要求的同步時(shí)鐘域的寄存器數(shù)量，圖3是一個(gè)兩級(jí)的同步寄存器鏈，

　　圖3

　　傳輸在不相關(guān)時(shí)鐘域的信號(hào)，都有可能在相對(duì)于捕獲寄存器時(shí)鐘沿的任何時(shí)間點(diǎn)變化。因此，設(shè)計(jì)者無(wú)法預(yù)測(cè)信號(hào)變化的順序或者說(shuō)信號(hào)兩次變化間經(jīng)過(guò)了幾個(gè)鎖存時(shí)鐘周期。例如，一條異步總線的各個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)可能在不同的時(shí)鐘沿變化，結(jié)果接收到的數(shù)據(jù)值可能是錯(cuò)誤的。

　　設(shè)計(jì)者必須考慮到電路的這些情況，而使用雙時(shí)鐘FIFO(DCFIFO)傳輸信號(hào)或者使用握手信號(hào)進(jìn)行控制。FIFO使用同步裝置處理來(lái)自不同時(shí)鐘域的控制信號(hào)，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)使用兩套獨(dú)立的總線。此外，如果異步信號(hào)作為兩個(gè)時(shí)鐘域的握手邏輯，這些控制信號(hào)就需要用于指示何時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)可以被接收時(shí)鐘域鎖存。如此一來(lái)，就可以利用同步寄存器確保亞穩(wěn)態(tài)不會(huì)影響控制信號(hào)的傳輸，從而保證數(shù)據(jù)在使用前有充足的時(shí)間等待亞穩(wěn)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。

　　文章其實(shí)還沒(méi)有結(jié)束，只不過(guò)altera在后面很官方的提出了所謂的MTBF(mean time between failures)的概念，即所謂的平均無(wú)故障時(shí)間的概念。列了個(gè)公式，分析了各個(gè)參數(shù)，當(dāng)然也不忘提他們的器件參數(shù)對(duì)于這個(gè)MTBF做了多大的貢獻(xiàn)。然后也提出了它們是如何進(jìn)行該公式參數(shù)的推導(dǎo)。

　　我們還是回到主題，在明確了這些基本的概念和基本的方法后，就要學(xué)以致用。在上篇博文沒(méi)有解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于如何最有效的進(jìn)行握手信號(hào)req、ack的采樣。這個(gè)問(wèn)題我們可以先以altera提出的MTBF推導(dǎo)公式的各個(gè)參數(shù)入手分析。

　　在這個(gè)公式中，Tmet就是指寄存器從時(shí)鐘上升沿觸發(fā)后的時(shí)序余量時(shí)間，F(xiàn)clk是接收時(shí)鐘域的時(shí)鐘頻率，F(xiàn)data是數(shù)據(jù)的變化頻率，而C1、C2則是與器件有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于用戶是一個(gè)固定值。由此看來(lái)，設(shè)計(jì)者只能通過(guò)改變Tmet、Fclk、Fdata來(lái)提高M(jìn)TBF值。MTBF值越大，說(shuō)明出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的幾率越小。要增大MTBF值，可以延長(zhǎng)Tmet、也可以降低Fclk和Fdata這兩個(gè)頻率。

　　首先我們看看如何延長(zhǎng)Tmet時(shí)間。

　　Tmet時(shí)間 = 采樣時(shí)鐘周期時(shí)間 – 輸出信號(hào)正常的Tco時(shí)間 - 數(shù)據(jù)到達(dá)下一級(jí)寄存器的輸入端口的其它延時(shí)時(shí)間Tdata - 下一級(jí)寄存器Tsu時(shí)間。

　　圖4

　　從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，Tmet時(shí)間還應(yīng)該加上時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間(Tclk2-Tclk1)?？傊?，這個(gè)Tmet時(shí)間是指正常沒(méi)有亞穩(wěn)態(tài)情況下，寄存器輸出信號(hào)從源寄存器到目的寄存器的建立時(shí)間余量。由于決定Tmet取值的參數(shù)中Tco和Tsu都是由FPGA器件本身的工藝以及工作環(huán)境決定的，設(shè)置時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)參數(shù)也很大程度上由器件決定，所以，如果在時(shí)鐘頻率Fclk和數(shù)據(jù)變化率Fdata固定的情況下，要增大Tmet值，那么設(shè)計(jì)者要做的只能是減小Tdata值。而這個(gè)Tdata是指兩個(gè)寄存器間的邏輯延時(shí)以及走線延時(shí)之和，要最大程度的減小它，估計(jì)也只能是不在連個(gè)寄存器間添加任何邏輯而已，正如我們的實(shí)例中也只有簡(jiǎn)單的input=output。

　　再看Fclk，它是接收域的采樣時(shí)鐘，就是異步信號(hào)需要被同步到的那個(gè)時(shí)鐘域，它的頻率是越小越好。當(dāng)然了，事物都其兩面性，這個(gè)頻率小到影響系統(tǒng)正常工作可就不行了。設(shè)計(jì)者需要從各個(gè)方面考慮來(lái)決定這個(gè)頻率，不會(huì)僅僅為了降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率而無(wú)限制的降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。如此分析，發(fā)現(xiàn)這個(gè)Fclk基本也是一個(gè)比較固定的值，不是可以隨便說(shuō)降就降的。降低Fclk其實(shí)也就是在增大Tmet時(shí)間，因?yàn)樗荰met公式計(jì)算中的被減數(shù)，哈哈，好像是一環(huán)扣一環(huán)。另外，在不降低采樣頻率Fclk的情況下，通過(guò)使用使能信號(hào)的方式得到一個(gè)二分頻時(shí)鐘去采樣信號(hào)也可以達(dá)到降頻的目的，只不過(guò)這樣會(huì)多耗費(fèi)幾個(gè)時(shí)鐘周期用于同步，但是有時(shí)也能夠明顯改善性能。

　　特權(quán)同學(xué)的二分頻采樣思路如圖5所示，前兩級(jí)采樣電路都做了2分頻，然后第三級(jí)使用原來(lái)時(shí)鐘進(jìn)行采樣。它的好處在于給第一級(jí)和第二級(jí)同步寄存器更多的Tmet時(shí)間，將亞穩(wěn)態(tài)抑制在第二級(jí)寄存器輸入之前，從而保證第三級(jí)寄存器的可靠采樣。雖然它在一、二級(jí)寄存器的輸入端增加了一些邏輯，可能會(huì)增大Tdata，但是相比于這個(gè)采樣時(shí)鐘的一半將額，它的變化是可以忽略不計(jì)的。

　　圖5

　　另一種辦法是在不降低每級(jí)寄存器的采樣頻率的情況下采用更多的同步寄存器，盡量去使用后級(jí)的寄存器，這也是一個(gè)笨辦法。Altera的筆記里打了一個(gè)比喻，如果一個(gè)設(shè)計(jì)你使用了9級(jí)的同步寄存器，那么MTBF是100年，而當(dāng)你使用了10級(jí)的同步寄存器，那么MTBF是1000年。這個(gè)辦法其實(shí)有點(diǎn)類(lèi)似冗余，這是所有人都知道的可以提高可靠性的原始辦法。這種思路的弊端和前面提到的方法一樣，需要付出多個(gè)時(shí)鐘周期為代價(jià)。

　　最后看這個(gè)Fdata，這個(gè)是發(fā)送時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)變化率，似乎也是由系統(tǒng)決定的，設(shè)計(jì)者也無(wú)法做太多改變。

　　其實(shí)對(duì)于一般的應(yīng)用，如果系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率不太高，器件的特性還算可以(只是一些泛泛的說(shuō)法，具體問(wèn)題要具體分析)，特權(quán)同學(xué)覺(jué)得上篇博文提出的握手信號(hào)同步方法就足以應(yīng)付亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。如果到高頻范疇來(lái)討論亞穩(wěn)態(tài)，那將會(huì)是一項(xiàng)更有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，只可惜特權(quán)同學(xué)目前接觸的最高頻也只不過(guò)100MHz而已。特權(quán)同學(xué)自覺(jué)才疏學(xué)淺，班門(mén)弄斧了。

　　無(wú)獨(dú)有偶，特權(quán)同學(xué)這篇博文即將收官之際，無(wú)意中看到船長(zhǎng)的博客中《理解FPGAs中的亞穩(wěn)態(tài)》一文也涉及到了altera的這篇筆記，也做了一下翻譯，似乎比特權(quán)同學(xué)翻譯的好。不過(guò)在此做個(gè)聲明，特權(quán)同學(xué)的博文一貫堅(jiān)持原創(chuàng)，即便參考其它資料，也大都有所提及，并且有自己的評(píng)論和思考，這應(yīng)該是每位電子工程師應(yīng)該有的嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真的態(tài)度。