理解FPGA中的壓穩態(tài)及計算壓穩態(tài)的方法

　　本白皮書(shū)介紹FPGA 中的壓穩態(tài)，為什么會(huì )出現這一現象，它是怎樣導致設計失敗的。介紹怎樣計算壓穩態(tài)MTBF，重點(diǎn)是對結果造成影響的各種器件和設計參數。

　　引言

　　當信號在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域之間傳送時(shí)，會(huì )出現壓穩態(tài)，它是導致包括FPGA 在內的數字器件系統失敗的一種現象。本白皮書(shū)介紹FPGA 中的壓穩態(tài)，解釋為什么會(huì )出現這一現象，討論它是怎樣導致設計失敗的。

　　通過(guò)計算壓穩態(tài)導致的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)，設計人員知道是否應采取措施來(lái)降低這類(lèi)失敗的概率。

　　本白皮書(shū)解釋怎樣利用各種設計和器件參數來(lái)計算MTBF， FPGA 供應商和設計人員怎樣提高M(jìn)TBF?？梢酝ㄟ^(guò)設計方法和優(yōu)化措施來(lái)降低出現壓穩態(tài)失敗的概率，從而提高系統可靠性。

　　什么是壓穩態(tài)?

　　FPGA 等數字器件中的所有寄存器都有確定的信號時(shí)序要求，使每一個(gè)寄存器能夠正確的采集輸入數據，產(chǎn)生輸出信號。為保證能夠可靠的工作，寄存器輸入必須在時(shí)鐘沿之前穩定一段時(shí)間( 寄存器建立時(shí)間，即tSU)，在時(shí)鐘沿之后也要保持穩定一段時(shí)間( 寄存器保持時(shí)間，即tH)。一定的時(shí)鐘至輸出延時(shí) (tCO) 之后，寄存器輸出有效。如果信號轉換不能滿(mǎn)足寄存器的tSU 或者tH 要求，寄存器輸出就有可能進(jìn)入壓穩態(tài)。在壓穩態(tài)中，寄存器輸出在高電平和低電平狀態(tài)之間徘徊一段時(shí)間，這意味著(zhù)，輸出延時(shí)超出設定的tCO 之后才能轉換到確定的高電平或者低電平狀態(tài)。

　　在同步系統中，輸入信號必須滿(mǎn)足寄存器時(shí)序要求，因此，不會(huì )出現壓穩態(tài)。信號在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域電路之間傳輸時(shí)，一般會(huì )出現壓穩態(tài)問(wèn)題。在這種情況下，由于信號可能在相對于目的時(shí)鐘的任意時(shí)間到達，因此，設計人員不能保證信號能夠滿(mǎn)足tSU 和tH 要求。然而，并不是所有不能滿(mǎn)足寄存器tSU 或者tH的信號轉換都導致壓穩態(tài)輸出。寄存器是否會(huì )進(jìn)入壓穩態(tài)以及返回穩定狀態(tài)所需要的時(shí)間與器件制造工藝以及實(shí)際工作條件有關(guān)。在大部分情況下，寄存器會(huì )很快返回穩定狀態(tài)。

　　可以把寄存器在時(shí)鐘邊沿采樣數據信號形象的看成是球從山上滾落下來(lái)，如圖1 所示。山的兩邊代表穩定狀態(tài)——信號轉換之后，信號的老數據和新數據，山頂代表壓穩態(tài)。如果球從山頂滾落，它會(huì )處于不確定狀態(tài)，實(shí)際中，它稍偏向一側，然后，落到山下。從山頂開(kāi)始，越到山腳，球到達底部穩定狀態(tài)的速度越快。

圖 1. 利用球從山上落下描述壓穩態(tài)

　　如果數據信號在時(shí)鐘沿之后以最小的 tH 轉換，這就類(lèi)似球從山的“老數據值”一側落下，輸出信號保持在該時(shí)鐘轉換的最初值不變。當寄存器數據輸入在時(shí)鐘沿之前以最小 tSU 轉換，保持時(shí)間大于最小 tH，這就類(lèi)似球從山的“新數據值”一側落下，輸出信號很快達到穩定的新?tīng)顟B(tài)，滿(mǎn)足確定的tCO 時(shí)間要求。但是，當寄存器數據輸入不能滿(mǎn)足tSU 或者 tH, 時(shí)，這就類(lèi)似于球從山頂落下。如果球落在山頂附近，那么，它會(huì )花很長(cháng)時(shí)間才能落到山腳，增加了時(shí)鐘轉換到穩定輸出的延時(shí)，超出了要求的tCO。

　　圖2 描述了壓穩態(tài)信號。時(shí)鐘信號轉換時(shí)，輸入信號從低電平狀態(tài)轉換到高電平狀態(tài)，不能滿(mǎn)足寄存器的tSU 要求。數據輸出信號從低電平狀態(tài)開(kāi)始，進(jìn)入壓穩態(tài)，在高電平和低電平狀態(tài)之間徘徊。信號輸出A 轉換到輸入數據的新邏輯1 狀態(tài)，輸出B 返回到數據輸入最初的邏輯0 狀態(tài)。在這兩種情況下，輸出轉換到確定的1 或者0 狀態(tài)的時(shí)間被延遲了，超出了寄存器要求的tCO。

圖 2. 壓穩態(tài)輸出信號實(shí)例