FPGA跨时钟域设计与亚稳态的危害
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更新于2024-08-17
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"本文主要探讨了亚稳态对FPGA跨时钟域设计的危害,以及如何管理和降低这种风险。亚稳态是由于违反存储元件的最小建立和保持时间导致的,当采样处于变化中的数据信号时,如果事件发生顺序难以确定,就可能发生同步失败,对系统的可靠性构成威胁。"
在FPGA设计中,跨时钟域的设计是一个常见的挑战,它涉及到两个或更多具有不同时序的时钟域之间的数据通信。这种设计模式是不可避免的,因为单一时钟通常无法满足所有设计需求。全同步设计和全异步设计都有其局限性,而全局异步、局部同步的设计则成为了折衷的选择,允许在同一时钟域内的同步,同时处理多个独立时钟域的数据交换。
亚稳态是一个关键问题,它发生在采样处于边缘状态的数据时,输出信号无法立即稳定在0或1,而是可能在两者之间振荡。这种情况通常是由于采样发生在数据信号跳变期间,违反了触发器的建立和保持时间约束所引起的。亚稳态不仅会导致同步失败,还可能导致整个系统功能异常,尤其是当这些错误在关键路径上发生时,可能会严重影响系统的可靠性。
同步失败(Synchronize Failure)是指由于亚稳态导致的数据传输错误,这可能引发系统失败(System Failure),特别是当这种失败按概率出现且概率高到无法接受的程度时。为了评估亚稳态的危害,我们通常会计算平均无故障时间(Mean Time Between Failures, MTBF),这是一种衡量系统可靠性的重要指标。更长的MTBF意味着更低的故障率,因此,设计者需要寻找方法来提高MTBF,以降低亚稳态导致故障的风险。
解决亚稳态的方法主要包括同步化和使用同步器。同步器是一种专门设计的电路,通常包含多个级联的D型触发器,用于捕获来自异步时钟域的数据,并确保在转换到同步时钟域之前,数据已经稳定。保持寄存器和握手协议也是有效的方法,它们通过确保数据在时钟边界稳定并得到正确确认,帮助避免亚稳态的发生。异步FIFO(先进先出队列)是另一种常用的设计策略,可以缓冲跨时钟域的数据传输,从而降低亚稳态的风险。
理解和管理亚稳态是FPGA跨时钟域设计的关键。设计师必须谨慎地考虑触发器的定时要求,使用合适的同步机制,并进行充分的测试和分析,以确保系统的可靠性和稳定性。通过这些方法,可以有效地减轻亚稳态带来的潜在危害,从而构建出更加健壮和可靠的FPGA系统。
2019-09-05 上传
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顾阑
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