基于IDDR的亞穩態(tài)問(wèn)題解決方案介紹

　什么是亞穩態(tài)

　　在FPGA等同步邏輯數字器件中，所有器件的寄存器單元都需要預定義信號時(shí)序以使器件正確地捕獲數據，進(jìn)而產(chǎn)生可靠的輸出信號。當另一器件將數據發(fā)送給FPGA時(shí)，FPGA的輸入寄存器必須在時(shí)鐘脈沖邊沿前保證最短的建立時(shí)間和時(shí)鐘脈沖邊沿后的保持時(shí)間，從而確保正常完整地 接收信號。

　　在一定的延遲后，寄存器輸出端隨后將信號發(fā)送到FPGA的其他部分。不過(guò)，如果信號傳輸違反了指定時(shí)間要求，那么輸出寄存器可能就會(huì )進(jìn)入所謂的亞穩態(tài)，這就導致寄存器輸出值會(huì )在高低狀態(tài)之間波動(dòng)，且這種狀態(tài)的時(shí)間不確定，從而使穩定輸出狀態(tài)無(wú)法達到寄存器指定的時(shí)間，進(jìn)而造成性能略有延遲或邏輯行為的副效應。

　　解決問(wèn)題

　　一般來(lái)說(shuō)，將FPGA連接到另一個(gè)具有不同時(shí)鐘域的數字器件時(shí)，必須給FPGA的輸入部分添加一級同步，使FPGA時(shí)鐘域中的第一個(gè)寄存器充當同步寄存器。為了實(shí)現這一目的，可在FPGA器件的輸入級中使用一系列寄存器或同步寄存器鏈。該鏈可在輸入寄存器將信號發(fā)送到FPGA的其他區域之前，允許 能有更多的時(shí)間解決潛在的亞穩態(tài)信號問(wèn)題。亞穩態(tài)信號的穩定時(shí)間通常比一個(gè)時(shí)鐘周期要短得多，因此即便延遲半個(gè)時(shí)鐘周期，亞穩態(tài)出現的概率也會(huì )按數量級減少。

　　為了降低亞穩態(tài)問(wèn)題的出現概率，在設計中實(shí)現的一系列寄存器(連接成移位寄存器)必須滿(mǎn)足以下標準要求：

　　所有寄存器必須由同一時(shí)鐘，或與同一時(shí)鐘相位相關(guān)的時(shí)鐘控制。

　　鏈中每個(gè)寄存器的扇出都僅針對相鄰的寄存器。

　　由于不能完全消除亞穩態(tài)問(wèn)題，因此必須做好解決問(wèn)題的準備。為此，設計人員采用平均故障間隔時(shí)間(MTBF)這個(gè)指標來(lái)估算從問(wèn)題出現并導致故障的兩個(gè)事件間的平均時(shí)間。MTBF值越高，說(shuō)明設計的穩定性越高。如果發(fā)生了“故障”，只是說(shuō)明沒(méi)有解決亞穩態(tài)問(wèn)題，并不是系統本身真的出現了故障。

　　可用以下方程式計算出寄存器的MTBF：

　　在本例中，C1和C2代表寄存器技術(shù)相關(guān)常數，tMET代表亞穩態(tài)的穩定時(shí)間。

　　可根據每個(gè)寄存器的MTBF，確定總的MTBF值。同步器的故障率為1/MTBF，則將每個(gè)同步器的故障率相加，就能計算出整個(gè)設計的故障率：

　　從上式可以明顯看出，通過(guò)改進(jìn)寄存器單元的架構，優(yōu)化設計以延長(cháng)同步寄存器的tMET，甚至增加鏈中寄存器的數量等多種方法來(lái)改進(jìn)MTBF。

　　高層代碼與布局圖

　　如果發(fā)現輸入信號存在潛在的亞穩態(tài)問(wèn)題，只需創(chuàng )建與同一時(shí)鐘有相位關(guān)系的時(shí)鐘驅動(dòng)的寄存器鏈就能解決此問(wèn)題。這需要提供如圖1所示的電路。

　　圖1 同步器鏈的默認布置圖

　　圖中，將寄存器鏈放置在兩個(gè)單元中：第一個(gè)為ILOGIC單元，而另外兩個(gè)寄存器放置在SLICE單元中(選擇具有相同時(shí)鐘的3個(gè)寄存器和鏈)。這是減少亞穩態(tài)問(wèn)題的一種快速且非常簡(jiǎn)單的方法，還有其他一些方法不但可減少亞穩態(tài)問(wèn)題，還可優(yōu)化性能。

　　使用賽靈思邏輯塊的IDDR方法

　　在Virtex-4和Virtex-5 FPGA中，賽靈思將其ILOGIC模塊直接放置在I/O驅動(dòng)器和接收器的后面。該模塊包括4個(gè)存儲元件寄存器和1個(gè)可編程絕對延遲元件。

　　Virtex-4與Virtex-5器件均采用這4個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現雙倍數據率輸入(IDDR)寄存器，功能設計師只需例化IDDR原語(yǔ)便能實(shí)現。這將使 受益匪淺。

　　這種原語(yǔ)的其中一個(gè)模式稱(chēng)為SAME_EDGE_PIPELINED。圖2顯示了采用這種模式的DDR輸入寄存器及相關(guān)信號。綠色矩形框顯示了一系列最優(yōu)的寄存器，可用其解決亞穩態(tài)問(wèn)題。此外，使用 IDDR 方法還有一個(gè)優(yōu)勢，即能使用兩三倍之多的主時(shí)鐘，同時(shí)又不會(huì )造成任何設計時(shí)延問(wèn)題。

　　圖2 SAME_EDGE_PIPELINED模式中的輸入DDR