數(shù)字電路設(shè)計中跨時鐘域處理的亞穩(wěn)態(tài)

數(shù)字電路設(shè)計中遇到跨時鐘域（Clock Domain Crossing, CDC）的電路時一般都需要特別的處理，例如同步器，異步FIFO等。那么為什么CDC需要特別的處理，如果不做處理又會導(dǎo)致什么問題。

亞穩(wěn)態(tài)

我們都知道數(shù)字電路中有兩個最重要的概念，建立時間和保持時間。通過滿足建立時間和保持時間，我們可以確保信號被正確的采樣，即1采到便是1，0采到便是0。但是如果不滿足建立時間和保持時間，采到的信號會進(jìn)入一個不穩(wěn)定的狀態(tài)，無法確定是1還是0，我們稱之為亞穩(wěn)態(tài)。這個亞穩(wěn)態(tài)的信號會在一段時間內(nèi)處于震蕩狀態(tài)，直到穩(wěn)定，而穩(wěn)定后的狀態(tài)值與被采樣值無關(guān)，可能是0也可能是1。

圖1【1】所示的是異步時鐘采樣失敗的情況。當(dāng)數(shù)據(jù)（adat）的變化離采樣時鐘（bclk）的變化沿很近時，由于不滿足建立時間，導(dǎo)致采樣到的信號（bdat1）進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

異步時鐘由于時鐘相位不同，圖1的情況往往難以避免，這也是跨時鐘域時容易發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的原因。

亞穩(wěn)態(tài)會導(dǎo)致什么問題

由于亞穩(wěn)態(tài)的信號會在一段時間內(nèi)處于震蕩狀態(tài)，后續(xù)不同的邏輯可能會將該信號識別為不同的狀態(tài)值，甚至是后續(xù)邏輯也出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的情況，導(dǎo)致邏輯的錯誤和混亂，比如狀態(tài)機(jī)出現(xiàn)錯誤的跳轉(zhuǎn)從而鎖死在某個狀態(tài)。

同步器

第一級觸發(fā)器采樣后出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，第二級觸發(fā)器在經(jīng)過一個時鐘周期的等待之后采樣到一個穩(wěn)定狀態(tài)的信號，達(dá)到消除不定態(tài)的目的。不過要注意，這樣的同步器只是減小了亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率，并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。而亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率的大小一般可以用MTBF（Mean Time Between Faliure）來表示。MTBF的值越小表示亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的頻率越高。

表示了MTBF的影響因子，可以看到，當(dāng)時鐘頻率越高，數(shù)據(jù)發(fā)生變化的頻率越高，MTBF越小，即亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的頻率也越高。

對于一些高頻電路設(shè)計，兩級觸發(fā)器所構(gòu)成的同步器MTBF仍然很小，這時候可以考慮再添加一級觸發(fā)器，即使用三級觸發(fā)器。另外，我們也希望當(dāng)數(shù)據(jù)被異步時鐘采樣時數(shù)據(jù)的變化頻率也盡可能小，因此一般數(shù)據(jù)在跨時鐘域之前最好可以用寄存器打一拍，減少數(shù)據(jù)的變化，從而減小亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。

值得注意的是，同步器的使用只是消除了不定態(tài)，但是同步器的輸出仍然可能是錯誤的，可能被采樣的信號是1，但是同步器輸出的確是0。這樣的錯誤是否是電路可以接受的要依據(jù)不同的設(shè)計來看，這便涉及到另外一個話題，如何使系統(tǒng)對產(chǎn)生的錯誤不敏感，本文暫不討論。

責(zé)任編輯：haq