21.Время выхода из метастабильности

Если требования D-триггера по времени установления и времени удержания удовлет­ворены, то триггер устанавливается в новое состояние в пределах интервала времени после того как прошел фронт тактового сигнала. Если эти требования нарушены, то выход триггера может быть метастабильным сколь угодно долго. Проектируя некоторую систему, мы пользуемся параметром носящим название времени вы­хода из метастабильности, для обозначения максимального времени, в течение которого выходной сигнал может оставаться метаста­бильным без ущерба для работы синхронизирующего устройства (и системы).

Рассмотрим, например, конечный автомат, изображенный на рисунке.

В этом случае мы располагаем следующим временем выхода из метастабильности:

= - -

где - период тактового сигнала, задержка распространения сигнала по комбинационной логике и - время установления триггеров, используемых в памяти состояния.

22.Разработка надежного синхронизирующего устройства

Самое надежное синхронизирующее устройство - это такое устройство, кото­рое успевает за отведенное время выйти из метастабильности. Но при проекти­ровании цифровой системы мы редко можем позволить себе роскошь понизить тактовую частоту ради надежности. Обычно, напротив, от нас требуют повысить тактовую частоту, чтобы система обладала лучшими характеристиками. Поэто­му чаще всего нам нужно, чтобы синхронизирующее устройство работало на­дежно при очень малых значениях периода тактового сигнала. Мы представим несколько таких схем и покажем, как можно оценить их надежность.

Как сказано выше, у конечного автомата с асинхронным входом время выхода из метастабильности равно = - - Чтобы сделать возможно большим при заданном периоде тактово­го сигнала, нам следует минимизировать и Значение определяет­ся типом триггеров, используемых в памяти состояния; в общем случае, у более быстрого триггера время установления меньше. Минимальное значение равно 0 и достигается в синхронизирующем устройстве, приведенном на рисунке; сей­час мы объясним, как работает эта схема.

Сигналы на входе триггера FF1 асинхронны по отношению к тактовому сигналу и могут поступать с нарушением требований, предъявляемых временем установ­ления и временем удержания. Если это происходит, то выходной сигнал МЕТА ста­новится метастабильным и остается в этом состоянии произвольно долго. Пред­положим, однако, что максимальное время метастабильности, после того как прошел фронт тактового сигнала, равно Коль скоро период тактового сигнала больше, чем плюс время установления триггера FF2, сигнал SYNCIN становится синхронной копией асинхронного входного сигнала на следую­щем такте тактового сигнала, никогда не оказываясь метастабильным. Далее сиг­нал SVNCIN можно использовать повсеместно в системе по мере необходимости.

23.Анализ времени пребывания в состоянии метастабильности

На рис. 8.97 приведены временные параметры, учитываемые при анализе времени пребывания в метастабильном состоянии. Обозначим указываемые производителем время установления и время удержания по обе стороны фронта в тактовом сигнале через и ; эти два интервала времени образуют окно принятия решения: на этом отрезке триггер берет выборку сигнала на входе дан­ных и решает, нужно ему изменять выходной сигнал или нет. Если сигнал на входе D изменяется за пределами этого окна, как показано на рис. (а), то производитель гарантирует переключение триггера и его переход в одно из его законных логичес­ких состояний не позднее времени . Если входной сигнал D изменяется в преде­лах окна принятия решения, как показано на рисунке (б), то метастабильность может возникнуть и просуществовать до конца интервала времени .

При изменении асинхронного входного сигнала в пределах окна принятия решения длительность пребывания выхода в метастабильном состоянии описы­вается экспоненциальной зависимостью:

MTBF( )=

Здесь MTBF - среднее время между отказами синхронизирующего устройства, если считать, что отказ происходит в том слу­чае, когда метастабильность выходит за пределы отрезка времени длительнос­тью после фронта тактового сигнала >= . Значение MTBF зависит от часто­ты сигнала f на тактовом входе триггера; а - число изменений асинхронного входного сигнала, поступающего на вход данных триггера, в секунду; Т и - константы, зависящие от электрических характеристик триггера. Если MTBF порядка нескольких сотен столетий, то надёжность аппарата приемлема. Если MTBF порядка нескольких секунд, проблемы будут выявлены на стадии испытаний. Хуже всего, когда MTBF порядка года. В этом случае проблемы при испытаниях могут не возникнуть, но они обязательно проявятся при серийном производстве.