建立时间、保持时间和亚稳态

目录

一、建立时间和保持时间

二、亚稳态

三、避免亚稳态策略

四、多级寄存器阻断亚稳态传播

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一、建立时间和保持时间

        如图1所示，建立时间（set up time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器，建立时间决定了该触发器之间的组合逻辑的最大延迟。 

        保持时间（hold time）是指在触发器时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器，保持时间决定了该触发器之间的组合逻辑的最小延迟。

图1  建立时间（tsu）和保持时间（th）

二、亚稳态

        亚稳态是指寄存器无法在短时间段内到达一个稳定状态，例如图2所示，当寄存器不满足建立时间和保持时间，导致寄存器输出有一段时间不稳定状态（输出为0和1的中间电平），就是亚稳态。

图2 亚稳态示意图（tco：寄存器输出延迟，tmet：亚稳态时间）

        

        亚稳态一般产生于数据跨时钟域传输、异步复位电路，以及其它异步逻辑电路中，产生亚稳态后，寄存器输出在稳定（0或1）下来之前可能是毛刺、振荡、固定的某一电压值，这将导致后续电路也会出现亚稳态，进而导致电路所实现的功能与设计不符。  

三、避免亚稳态策略

       1.    用反应更快的触发器；

       2.    引入同步逻辑；

       3.    改善时钟质量，用边沿变化快的时钟。

四、多级寄存器阻断亚稳态传播

        在FPGA设计中，如果不可避免要使用异步逻辑，通常采用两级寄存器完成对单bit异步信号采样，如图3所示。

图3 单bit信号两级寄存处理

        采用两级寄存器对异步信号采集，当tco + tmet+ tsu（第二级寄存器）<= T（一个时钟周期）时，第二级寄存器就可以稳定的采样。这就相当于多给寄存器一个时钟周期时间来恢复稳定状态，从而大大减少亚稳态传播几率。这里需要注意的地方是，增加第二级寄存器并非避免亚稳态的“发生”，而是防止亚稳态的“传播”。

        还必须注意的是，虽然这种方法可以以防止亚稳态的传播，但是并不能保证两级触发器之后的数据是正确的。通常这种电路都有一定数量的错误电平数据，所以仅适用于少量对于错误不敏感的地方。对于敏感的电路，或者多bit信号跨时钟域传输，可以采用双口 RAM 或 FIFO。

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