图3.8 二级寄存器亚稳态
由上图可知,第二级也是一个亚稳态,所以在这种情况下,亚稳态产生了串扰,从第一级寄存器传到了第二级寄存器,同样也可能从第二级寄存器串扰到第三级寄存器。这样会让设计逻辑判断出错,产生亚稳态传输,可能导致系统死机奔溃。
2.3.3 亚稳态振荡时间Tmet 亚稳态震荡时间Tmet关系到后级寄存器的采集稳定问题,Tmet影响因素包括:器件的生产工艺、温度、环境以及寄存器采集到亚稳态离稳定态的时刻等。甚至某些特定条件,如干扰、辐射等都会造成Tmet增长。
3. 应用分析有亚稳态产生,我们就要对亚稳态进行消除,常用对亚稳态消除有三种方式:
(1) 对异步信号进行同步处理;
(2) 采用FIFO对跨时钟域数据通信进行缓冲设计;
(3) 对复位电路采用异步复位、同步释放方式处理。
3.1.1 对异步信号进行同步提取边沿在异步通信或者跨时钟域通信过程中,最常用的就是对异步信号进行同步提取边沿处理。对一个异步信号进行提取上升沿通常采用程序清单 4.1所示。
程序清单 4.1 双极寄存器提取边沿
input sig_nsyn;
wire sig_nsyn_p;
reg[1:0] sig_nsyn_r;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) sig_nsyn_r <= 2’d0;
else sig_nsyn_r <= { sig_nsyn_r [0], sig_nsyn };
end
assign sig_nsyn_p = sig_nsyn_r[0] & ~sig_nsyn_r[1];
这种边沿提取方式对于一个稳定的系统是不合适的,例如:当第一级寄存器采集到亚稳态,那势必造成sig_nsyn_p输出亚稳态,这样就会对采用sig_nsyn_p的信号进行判断的电路造成影响,甚至判断出错误的值。
根据3.3.1小节的亚稳态产生概率,如果在100M时种下那第一级寄存器产生亚稳态的概率约为10%,随着系统采集频率升高,那产生亚稳态的概率也会随之上升。因此,在进行异步信号跨频提取边沿时候,一般采用多进行一级寄存器消除亚稳态,可能在系统稳定性要求高的情况下,采用更多级寄存器来消除亚稳态,如程序清单 4.2所示,即为采用4级寄存器消除亚稳态,相应的边沿信号产生的时间就晚了两个时钟周期。
程序清单 4.2 多级寄存器提取边沿信号
input sig_nsyn;
wire sig_nsyn_p;
reg[3:0] sig_nsyn_r;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) sig_nsyn_r <= 2’d0;
else sig_nsyn_r <= { sig_nsyn_r [2::0], sig_nsyn };
end
assign sig_nsyn_p = sig_nsyn_r[2] & ~sig_nsyn_r[3];
3.1.2 FIFO进行异步跨频数据处理当数据流从一个时钟域到另一个时钟域的时候,绝大多数情况下都采用FIFO来作为中间缓冲,采用双时钟对数据缓冲,就可以避免亚稳态的发生。
3.1.3 异步复位,同步释放对于复位情况下的亚稳态,常常是由于恢复时间和移除时钟不满足造成的,因此,最常用的处理方式是采用异步复位、同步释放。常用电路模型如所示。采用第二级寄存器输出作为全局复位信号输出。
程序清单 4.3 异步复位处理
wire sys_rst_n;
reg [1:0] rst_r;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r <= 2’d0;
else rst_r <= {rst_r[0], 1’b1};
end
assign sys_rst_n = rst_r[1];
通过上面三种方式处理异步信号、异步数据、以及异步复位可有效的提高系统的稳定性。减少亚稳态的产生。