亚稳态及其解决办法

亚稳态

在数字电路中，每一位数据不是1（高电平）就是0（低电平）。当然对于具体的电路来说，并非1（高电平）就是1V，0（低电平）就是0V，对于不同的器件它们都有不同的对应区间。比方说对于某个器件来说，2.25 ~ 2.5V可以识别出来是高电平，0 ~ 0.25V可以识别出来是低电平，但是如果信号的电压处于0.25 ~ 2.25V之间，器件也就无法识别是高电平还是低电平（最终的结果可能是高电平也可能是低电平，无法预测），这种状态也就是亚稳态。

亚稳态的产生原因

寄存器有一种特性，在clk的有效边沿时，采样数据D，输出到Q，此过程如果想要稳定进行，那么要求，数据D在clk有效边沿之前一段时间保持稳定（建立时间），在clk有效边沿之后一段时间保持稳定（保持时间），如果任何一个不满足，就会导致此过程失败，结果就是clk的有效边沿过去后，Q的值可能就不会出现预想值
Tsu(setup建立时间)在上升沿到来之前数据保持稳定不变的时间，Th(holdup保持时间)在上升沿来带之后数据保持稳定不变的时间
对于Sig0和Sig1在两段时间内数据都是保持不变的，所以采样不会出错，但是对于Sig2在Tsu和Th内处于不确定的状态，如果sig2在这个上升沿被采样，那么在得到的数据是不稳定(Tmet)的，并且这种状态会向后传递，灰常的危险。

什么是同步异步信号

同步电路中的信号，我们称之为同步信号。
如果在设计中，寄存器的时钟端连接在不同的时钟上，那么称之为异步电路设计。
在真实的电路中，各部分元器件都是有延迟的。对于同步电路来说，Q的更新都是在clk上上升沿之后的一段时间（Tco：输出延迟），输出的数据经过组合逻辑或者线路也会有延迟（delay：线路延迟），到达下一个寄存器。此时，信号早就偏离了clk的上升沿。所以对于下级寄存器来说，这个信号也是“异步信号”。所以说真实电路中，全部的信号都是“异步信号”。

那么为什么在同步电路中，我们都称为同步信号呢？

因为在电路中，所有的延迟都是已知的（TCO、delay等等），我们可以通过扩大clk的周期，确保clk的周期大于TCO等等之类延迟之和，那么就可以保证下级寄存器采样到数据。所以这种电路中的信号，我们依然把他称之为同步信号。

在跨时钟域时，由于两个时钟之间没有任何关系，无论怎么调整周期，都不一定能满足下级寄存器采样到数据，肯定不能调成一致周期，那就变成了同步设计。例：用寄存器采样外部按键的输入，那么此时外部按键的信号对于寄存器来说就是异步信号，因为外部信号是随时都有可能有效，所以无论怎么调整，都不一定能够保证信号满足寄存器的建立保持时间。

那么既然在很多情况下，无论如何也避免不了异步信号带的坏处，那么能不能全部采用同步设计？显然是不太现实，不同接口或者存储器等都有自己频率，全部采用同步电路设计的方式将失去很多功能。例如：千兆以太网的GMII接口，采用125M接口，1080P的HDMI接口采用148.5MHz的接口。

既然无法避免，那就勇敢面对。

怎么消除亚稳态

拍数打得越多越稳定，一般采电平只需要打两拍，如果要采沿变（上升或者下降沿）就需要打三拍
（再多级的寄存器，也无法避免亚稳态，只是级数越多，最后一级输出亚稳态的几率将会越低。）

FPGA零基础学习：在FPGA中，同步信号、异步信号和亚稳态的理解