亞穩態是我們在設計經常遇到的問題。這個錯誤我在很多設計中都看到過。有人可能覺得不以為然，其實你現在沒有遇到問題只能說明：

1. 你的發貨量還沒到一定的量級。

2. 你很幸運。

當問題一旦發生的時候，亞穩態的問題是非常難以定量的分析的，甚至復現也是非常困難的。為了不讓這樣的“玄學”問題困擾我們，我們在設計調試的時候，首先要把這類問題規避，才有助于我們撥開迷霧，找到問題的原因。設計的檢視也非常重要，不能說功能測試通過了，小批量發貨沒有問題產品就沒有潛在的隱患。

亞穩態與設計可靠性

設計數字電路時大家都知道同步是非常重要的，特別當要輸入一個信號到一個同步電路中，但是該信號由另一個時鐘驅動時，這是要在接口處采取一些措施，使輸入的異步信號同步化，否則電路將無法正常工作，因為輸入端很可能出現亞穩態(Metastability)，導致采樣錯誤。這里我們對亞穩態的起因、危害、對可靠性的影響和消除仿真做一些介紹。

1.亞穩態發生的原因

在同步系統中，如果觸發器的setup time / hold time不滿足，就可能產生亞穩態，此時觸發器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間處于不確定的狀態，在這段時間里Q端毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，而不是等于數據輸入端D的值。這段之間成為決斷時間(resolution time)。經過resolution time之后Q端將穩定到0或1上，但是究竟是0還是1，這是隨機的，與輸入沒有必然的關系。

2.亞穩態的危害

由于輸出在穩定下來之前可能是毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，因此亞穩態除了導致邏輯誤判之外，輸出0～1之間的中間電壓值還會使下一級產生亞穩態(即導致亞穩態的傳播)。

邏輯誤判有可能通過電路的特殊設計減輕危害(如異步FIFO中Gray碼計數器的作用)，而亞穩態的傳播則擴大了故障面，難以處理。

3.亞穩態的解決辦法

只要系統中有異步元件，亞穩態就是無法避免的，因此設計的電路首先要減少亞穩態導致錯誤的發生，其次要使系統對產生的錯誤不敏感。前者要靠同步來實現，而后者根據不同的設計應用有不同的處理辦法。用同步來減少亞穩態發生機會的典型電路如圖1所示。

在圖1中，左邊為異步輸入端，經過兩級觸發器同步，在右邊的輸出將是同步的，而且該輸出基本不存在亞穩態。其原理是即使第一個觸發器的輸出端存在亞穩態，經過一個CLK周期后，第二個觸發器D端的電平仍未穩定的概率非常小，因此第二個觸發器Q端基本不會產生亞穩態。注意，這里說的是“基本”，也就是無法“根除”，那么如果第二個觸發器Q出現了亞穩態會有什么后果呢?后果的嚴重程度是由你的設計決定的，如果系統對產生的錯誤不敏感，那么系統可能正常工作，或者經過短暫的異常之后可以恢復正常工作，例如設計異步FIFO時使用格雷碼計數器當讀寫地址的指針就是處于這方面的考慮。如果設計上沒有考慮如何降低系統對亞穩態的敏感程度，那么一旦出現亞穩態，系統可能就崩潰了。

4.亞穩態與系統可靠性

使用同步電路以后，亞穩態仍然有發生的可能，與此相連的是MTBF(Mean Time Between Failure)，亞穩態的發生概率與時鐘頻率無關，但是MTBF與時鐘有密切關系。有文章提供了一個例子，某一系統在20MHz時鐘下工作時，MTBF約為50年，但是時鐘頻率提高到40MHz時，MTBF只有1分鐘!可見降低時鐘頻率可以大大減小亞穩態導致系統錯誤的出現，其原因在于，提供較長的resolution time可減小亞穩態傳遞到下一級的機會，提高系統的MTBF，如圖2所示。

5.總結

亞穩態與設計可靠性有非常密切的關系，當前對很多設計來說，實現需要的功能并不困難，難的是提高系統的穩定性、可靠性，較小亞穩態發生的概率，并降低系統對亞穩態錯誤的敏感程度可以提高系統的可靠性。

審核編輯：湯梓紅