《硬件架构的艺术》-1.1简介&1.2亚稳态理论&1.3亚稳态窗口&1.4计算MTBF

1.1简介

(1) 在同步系统中,输入数据信号相对于时钟总有固定的关系; 当这种关系满足器件的建立时间和保持时间的要求时,输出端会在特定的传输延迟时间内输出一个有效状态,这种情况下,不会发生亚稳态；

(2) 在异步系统中,由于输入数据信号和时钟的关系不是固定的,因此有时会出现违反建立时间和保持时间的现象,这种情况下,会输出介于两个有效状态之间的中间级电平且无法确定停留在中间状态的时间或者经过一定延迟后才能进行正常转换;

1.2亚稳态理论

(1) 亚稳态是由于违背了触发器的建立时间和保持时间而产生的;

(2) 任何一个触发器都有特定的建立时间和保持时间,在时钟上升沿前后的这段窗口内,数据输入信号必须保持稳定,否则输出将是未知的或者称为"未稳的";触发器的输出会因此而产生毛刺,或者暂时保持在不稳定状态而且需要较长时间才能回到稳定状态;

(3) 如图1.1所示,当触发器处于亚稳态时,输出会在高低电平之间波动,这会导致延迟输出转换过程,并超过所规定的时钟到输出的延迟值tco;亚稳态输出恢复至稳定状态所需的超出tco的额外时间部分称为稳定时间tMET;

(4) 并非所有不满足建立和保持时间的输入变化都会导致亚稳态输出;

(5) 触发器是否进入亚稳态和返回稳态所需时间取决于生产器件的工艺技术与外界环境;

 

 

1.3亚稳态窗口

(1) 亚稳态窗口具有特定的时间长度(建立时间和保持时间共同决定亚稳态窗口的宽度),在这段时间内输入信号和时钟都应该保持不变;

(2) 亚稳态窗口越大,进入亚稳态的概率越高;

1.4计算MTBF

(1) MTBF(Mean/Average Time Between Failures):平均无故障时间;

(2) 对于一个具有给定时钟频率和在该时钟周期内具有均匀概率密度的异步数据信号边沿的单级同步器,亚稳态时间的发生率可以用建立时间、保持时间窗口和时钟周期的比值乘以信号触发频率来计算;

(3)两级同步器的MTBF如下图所示(???);