簡(jiǎn)談FPGA學(xué)習(xí)中亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象

大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時(shí)間了，今天我們來聊一聊FPGA學(xué)習(xí)中，亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

說起亞穩(wěn)態(tài)，首先我們先來了解一下什么叫做亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：信號(hào)在無關(guān)信號(hào)或者異步時(shí)鐘域之間傳輸時(shí)導(dǎo)致數(shù)字器件失效的一種現(xiàn)象。

接下來主要討論在異步時(shí)鐘域之間數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，以及如何降低亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象發(fā)生的概率（只能降低，不能消除），這在FPGA設(shè)計(jì)（尤其是大工程中）是非常重要的。

亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生：所有的器件都定義了一個(gè)信號(hào)時(shí)序要求，只有滿足了這個(gè)要求，才能夠正常的在輸入端獲取數(shù)據(jù)，在輸出端輸出數(shù)據(jù)。正常的數(shù)據(jù)傳遞是：在觸發(fā)時(shí)鐘沿前必須有一小段時(shí)間(Tsu)用來穩(wěn)定輸入信號(hào)（0 or 1）,觸發(fā)時(shí)鐘沿之后需要有一小段特定的時(shí)間（Th）再次穩(wěn)定一下，最后再經(jīng)過一個(gè)特定的始終到輸出延時(shí)（Tco）后才有效。如果數(shù)據(jù)的傳遞過程違反了這個(gè)時(shí)間約束，那么寄存器輸出就會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)輸出的詩句是不穩(wěn)定的（在0和1之間游蕩）。但是這種現(xiàn)象并不是絕對(duì)的，但是我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量避免這種現(xiàn)象。

同步時(shí)鐘系統(tǒng)由于是同步的，沒有兩個(gè)異步的觸發(fā)信號(hào)對(duì)信號(hào)的輸入輸出干擾，所以亞穩(wěn)態(tài)的幾率很小。

異步時(shí)鐘系統(tǒng)：先舉個(gè)例子,如下：

always @（posedge clk or negedge rst_n）
begin
if(!rstn)
m<=1;
else
m<=0;
end
這是異步的，rst_n的觸發(fā)和clk的觸發(fā)各自不相干（造成的亞穩(wěn)態(tài)概率較高）。

always @（posedge clk）
begin
if(!rst_n)
m<=1;
else
m<=0;
end
這是同步的，rst_n在clk上升沿的時(shí)候才產(chǎn)生影響,此時(shí)造成的亞穩(wěn)態(tài)概率低很多。

異步時(shí)鐘系統(tǒng)充分的利用了寄存器的端口，無需增加另外的資源，但是亞穩(wěn)態(tài)的概率相對(duì)高；

同步時(shí)鐘系統(tǒng)少用了clk復(fù)位端口，額外消耗了了資源，但是降低了亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生概率。

上述異步例子中，如果clk上升沿時(shí)，rst-n=0，那么執(zhí)行m<=1;但是rst_n和clk變化的時(shí)間差很短，不滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)間要求的就會(huì)相互干擾，造成亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。當(dāng)然有的人會(huì)認(rèn)為同步似乎也會(huì)產(chǎn)生這種影響，但是相對(duì)而言幾率小得多。

在此前提下，在特權(quán)同學(xué)的書中，提出了異步復(fù)位，同步釋放的電路概念。（電路網(wǎng)上好多），該電路目的：既不解決了同步復(fù)位的資源消耗問題，也極大的降低了異步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

異步復(fù)位：當(dāng)rst_n= 0 時(shí)，一個(gè)clk的上升沿，輸出的rstn_out=0,實(shí)現(xiàn)了異步復(fù)位功能（當(dāng)然這在只有一個(gè)寄存器的一級(jí)緩沖下也能實(shí)現(xiàn)），重點(diǎn)在于同步釋放環(huán)節(jié)。

同步釋放：當(dāng)rst_n在clk上升沿后很短的時(shí)間內(nèi)回歸1，那么就會(huì)造成前一級(jí)的亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，其實(shí)后一級(jí)也出現(xiàn)了，但是如果rst_n被認(rèn)為任然是0，那么輸出也就是0，如果被認(rèn)為是1，rstn_out接受的是前一級(jí)的上一個(gè)輸出值（還是0），這就是同步釋放的由來，完美解決問題。

這僅是本人學(xué)習(xí)初學(xué)FPGA的學(xué)習(xí)筆記，僅供參考。

今天就聊到這里，各位，加油。