系列文章目录

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前言

马上成为新ICer，利用空闲时间展开对自己的首轮培训，取名为”新芯计划“哈哈哈
这个系列主要给自己做个基础知识的巩固，本节的内容围绕亚稳态展开，如若有内容有误，欢迎和感谢各位指正
参考文章：MTBF 是如何指导跨时钟域设计的

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一、亚稳态是什么

亚稳态发生于 ：

• 输入数据不满足时钟的建立/保持时间
• 复位信号不满足时钟的Recovery/Removal时间
  
  以不满足建立时间为例：
  

经过寄存器延时$T_{co}$，经过$T_{met}$的振荡时间，此时间段内信号不稳定，在0和1之间变化，即为亚稳态，当振荡结束回到稳定状态0或者1，这是随机的。亚稳态往后传播可能导致系统电路瘫痪，影响恶劣，因此跨时钟的同步设计是非常重要的一环，跨时钟域所做的一切努力，只是为了防止亚稳态造成电路功能失败。

二、亚稳态概率

亚稳态发生概率通常使用MTBF（Mean Time Between Failure）值来衡量：
$$MTBF=\frac{e^{t_{MET}/T_{au}}}{T_o\ast f_{CLK}\ast f_{DATA}}$$
MTBF表示亚稳态导致电路功能失败的平均时间，其值越大，表示失败发生所需要的时间越长，那么电路就越稳定

式中，

1. $T_{au}$和$T_o$为常数，由芯片制造工艺和工作环境决定
2. $t_{MET}$为等待亚稳态稳定的可用时间，其值越大表示亚稳态在此时间内越可能恢复到稳定状态，电路越可靠
3. $f_{CLK}$表示接收时钟域的时钟频率
4. $f_{DATA}$表示待接收信号所在时钟域的时钟频率

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MTBF 影响了哪些跨时钟域的设计细节 ？
参考文章：MTBF 是如何指导跨时钟域设计的

• 源时钟域异步信号要寄存器输出

寄存器输出可以避免毛刺，毛刺意味着什么，异步信号的跳变。也就是说寄存器输出可以减少异步信号的跳变，即减小 fdata 的值，使 MTBF 变大，电路则更不容易失败。

• 时钟频率越高时，同步器级联的寄存器数目越多

时钟频率越高，fclk 越大，MTBF 越小，电路越容易因为亚稳态失效。因此为了增大 MTBF 的值，可以通过增加级联的寄存器，从而增加 tMET 的值

• 布局约束时，同步器级联的寄存器越近越好，尤其是当时钟频率很高时

当 FF1 与 FF2 越近，FF1 与 FF2 的连线越可能短，FF2 的 timing slack 则越大，tMET 的值便越大，因而 MTBF 越大。

同步化不仅要考虑打拍级数（一般>300MHz,打拍级数>5），还要考虑后端约束：
Xilinx 有两个专门的约束：

 1. ASYNC_REG="TRUE" :约束同步寄存器尽可能靠近2. SHREG_EXTRACT="NO" ：约束同步寄存器不被综合成移位寄存器