FPGA跨时钟域设计：同步器与亚稳态分析

"FPGA跨时钟域设计中的同步器寄存器之间不应存在组合逻辑，因为这可能导致同步失败和亚稳态，影响系统的可靠性。" 在FPGA设计中，跨时钟域的设计是一项重要的考虑因素，尤其是在处理多时钟域的情况。全同步设计通常在一个单一的时钟下操作，而全异步设计则不依赖任何统一的时钟，但这些在某些情况下都无法满足复杂设计的需求。因此，全球异步、局部同步的设计方式应运而生，这种方式允许在不同的时钟域内使用独立的时钟，但在每个时钟域内部保持同步。 亚稳态是跨时钟域设计中的关键问题，它发生在触发器无法在规定时间内稳定到一个确定状态的情况下。这可能是由于数据在转换期间被采样，或者建立和保持时间不满足导致的。亚稳态不仅会导致触发器输出不确定的中间电平，还可能引发级联效应，使得错误的信号在整个系统中传播，从而导致同步失败或系统故障。 为了评估亚稳态的危害，我们可以计算平均无故障时间（Mean Time Between Failures, MTBF），这是一个反映系统可靠性的重要指标。然而，即使MTBF很高，实际的亚稳态事件仍有可能发生，而这可能对系统的可靠性要求构成挑战。 减少亚稳态风险的方法主要包括确保在单一时钟域内的信号满足建立和保持时间，这样可以避免亚稳态的发生。而对于跨时钟域的信号，仅靠设计工具无法完全保证其可靠性，因此需要采用特定的同步策略，如同步器和握手协议。 同步器，通常是双或三阶段的FIFO（先进先出）寄存器，用于捕获异步信号并在新的时钟域中稳定它们。保持寄存器和握手协议则提供了一种机制，确保在数据传输过程中信号的稳定性和正确性，通过等待确认信号来确保数据在接收端已被正确采样。 异步FIFO设计是解决跨时钟域问题的常见方案，它在两个独立时钟域之间存储数据，通过读写指针的管理，确保数据的正确传输而不引入亚稳态。这种方法通过在FIFO内部维持数据的顺序，有效地隔离了两个时钟域，降低了同步失败的风险。 理解和处理亚稳态以及采用有效的同步策略是FPGA跨时钟域设计的关键，以确保系统的稳定性和可靠性。设计者必须关注时钟域间的信号同步，合理利用同步器、保持寄存器和握手协议，以及优化异步FIFO设计，以减少亚稳态带来的潜在问题。