亚稳态与设计可靠性的关系

亚稳态是我们在设计经常遇到的问题。这个错误我在很多设计中都看到过。有人可能觉得不以为然，其实你现在没有遇到问题只能说明：

1. 你的发货量还没到一定的量级。

2. 你很幸运。

当问题一旦发生的时候，亚稳态的问题是非常难以定量的分析的，甚至复现也是非常困难的。为了不让这样的“玄学”问题困扰我们，我们在设计调试的时候，首先要把这类问题规避，才有助于我们拨开迷雾，找到问题的原因。设计的检视也非常重要，不能说功能测试通过了，小批量发货没有问题产品就没有潜在的隐患。

亚稳态与设计可靠性

设计数字电路时大家都知道同步是非常重要的，特别当要输入一个信号到一个同步电路中，但是该信号由另一个时钟驱动时，这是要在接口处采取一些措施，使输入的异步信号同步化，否则电路将无法正常工作，因为输入端很可能出现亚稳态(Metastability)，导致采样错误。这里我们对亚稳态的起因、危害、对可靠性的影响和消除仿真做一些介绍。

1.亚稳态发生的原因

在同步系统中，如果触发器的setup time / hold time不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出端Q在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的状态，在这段时间里Q端毛刺、振荡、固定的某一电压值，而不是等于数据输入端D的值。这段之间成为决断时间(resolution time)。经过resolution time之后Q端将稳定到0或1上，但是究竟是0还是1，这是随机的，与输入没有必然的关系。

2.亚稳态的危害

由于输出在稳定下来之前可能是毛刺、振荡、固定的某一电压值，因此亚稳态除了导致逻辑误判之外，输出0～1之间的中间电压值还会使下一级产生亚稳态(即导致亚稳态的传播)。

逻辑误判有可能通过电路的特殊设计减轻危害(如异步FIFO中Gray码计数器的作用)，而亚稳态的传播则扩大了故障面，难以处理。

3.亚稳态的解决办法

只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，因此设计的电路首先要减少亚稳态导致错误的发生，其次要使系统对产生的错误不敏感。前者要靠同步来实现，而后者根据不同的设计应用有不同的处理办法。用同步来减少亚稳态发生机会的典型电路如图1所示。

在图1中，左边为异步输入端，经过两级触发器同步，在右边的输出将是同步的，而且该输出基本不存在亚稳态。其原理是即使第一个触发器的输出端存在亚稳态，经过一个CLK周期后，第二个触发器D端的电平仍未稳定的概率非常小，因此第二个触发器Q端基本不会产生亚稳态。注意，这里说的是“基本”，也就是无法“根除”，那么如果第二个触发器Q出现了亚稳态会有什么后果呢?后果的严重程度是由你的设计决定的，如果系统对产生的错误不敏感，那么系统可能正常工作，或者经过短暂的异常之后可以恢复正常工作，例如设计异步FIFO时使用格雷码计数器当读写地址的指针就是处于这方面的考虑。如果设计上没有考虑如何降低系统对亚稳态的敏感程度，那么一旦出现亚稳态，系统可能就崩溃了。

4.亚稳态与系统可靠性

使用同步电路以后，亚稳态仍然有发生的可能，与此相连的是MTBF(Mean Time Between Failure)，亚稳态的发生概率与时钟频率无关，但是MTBF与时钟有密切关系。有文章提供了一个例子，某一系统在20MHz时钟下工作时，MTBF约为50年，但是时钟频率提高到40MHz时，MTBF只有1分钟!可见降低时钟频率可以大大减小亚稳态导致系统错误的出现，其原因在于，提供较长的resolution time可减小亚稳态传递到下一级的机会，提高系统的MTBF，如图2所示。

5.总结

亚稳态与设计可靠性有非常密切的关系，当前对很多设计来说，实现需要的功能并不困难，难的是提高系统的稳定性、可靠性，较小亚稳态发生的概率，并降低系统对亚稳态错误的敏感程度可以提高系统的可靠性。

审核编辑：汤梓红