1首先介紹一下建立時間和保持時間的基本概念：
1.1建立時間和保持時間：
圖1.1
tsh:建立時間，th:保持時間
建立時間：是指時鐘觸發(fā)器上升沿到來之前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間。如果建立時間不夠，則數(shù)據(jù)不能在這個時鐘進入觸發(fā)器。
保持時間：是指時鐘觸發(fā)器上升沿到來之后，數(shù)據(jù)保持不變的時間。如果保持時間不夠，則數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。
由于PCB走線時，存在分布電感和電容，所以幾納秒的毛刺將被自然濾除，而在PLD內部決無分布電感和電容，所以在PLD/FPGA設計中，競爭和冒險問題將變的較為突出。
2關于毛刺的基本概念：
信號在FPGA內通過連線和邏輯單元時，都會產(chǎn)生延時。延時產(chǎn)生的原因：①：連線的長短和邏輯單元的數(shù)目 ，②：受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響， 所 以在信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，往往會產(chǎn)生一些尖峰的信號，這些信號稱為毛刺。如果有毛刺，該電路稱為冒險電路。只由內部電路決定。
看下面的例子：
我們可以看到，A,B,C,D四個輸入信號，最后導致輸出出現(xiàn)毛刺。原因是A,B,C,D信號輸入不是同時發(fā)生。（即使同時發(fā)生，它們各自由于連線和邏輯單元的原因，到達門電路的時間也不同。）所以可以說，只要輸入信號同時發(fā)生變化，由于走線的原因，必將產(chǎn)生毛刺。所以我們不能直接將其輸出，要進行一些措施。
方法一：格雷碼代替二進制計數(shù)器，由于格雷碼每次只有一位進行變化，不滿足產(chǎn)生毛刺的條件。所以可以減小錯誤
方法二：另一種更常見的方法是利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺信號不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號，這種方法類似于將異步電路轉化為同步電路。如圖：
由于異步輸入不是總能滿足所饋送的觸發(fā)器滿足建立時間和保持時間，所以常常會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。
3關于亞穩(wěn)態(tài)知識的基本概念
圖1.2：采用一個時鐘同步下的模型
其中：tco為觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸出延時；Tdelay=Tcomb 為經(jīng)過組合邏輯的延時 ；Tsetup（tsu）為建立時間；Tpd為時鐘延時，一般時鐘延時可以忽略。
1.1亞穩(wěn)態(tài)的特點：
①增加觸發(fā)器進入穩(wěn)態(tài)的時間：
如圖 ，如果滿足正常建立時間和保持時間，則Tco為觸發(fā)器的延時。如果違反觸發(fā)器的時序要求：則會在延時后出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)時間tR。
②：可能輸出毛刺，震蕩，或中間電平
經(jīng)過一段時間后，亞穩(wěn)態(tài)會處于穩(wěn)定狀態(tài)，有可能是高電平，也有可能是低電平。與數(shù)據(jù)無關，與電路有關。且在亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時，會出現(xiàn)毛刺，震蕩或者輸出中間電平。
如例：
F1 <= local_2m輸入，F(xiàn)0 <= local_2m輸入，local_2m和cdr_2m都是2MHz的方波信號，被一個50MHz的異步時鐘作同步化處理。Verilog代碼為:
always @(posedge clk_50m)
if(sel==1)begin
clk2m_oa <= cdr_2m ;
clk2m_ob <= cdr_2m ;
end
else begin
clk2m_oa <= local_2m ;
clk2m_ob <= local_2m ;
end
分析出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的原因：首先，2MHZ被50MHZ處理，一定會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，在震蕩期間出現(xiàn)高電平，然后為低電平。這個毛刺產(chǎn)生的原因是因為門電路的原因。
③：亞穩(wěn)態(tài)返回到哪一個穩(wěn)定態(tài)是不可預測的，而且和輸入數(shù)據(jù)無關。
1.2亞穩(wěn)態(tài)的危害：
目前FPGA都是基于同步設計的思想，一個良好的子模塊設計都是基于同一時鐘下設計的。當不同時鐘域進行通信時，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。（如異步FIFO）
①：理論上如果亞穩(wěn)態(tài)一個周期內不能正確恢復成穩(wěn)定狀態(tài)，則目的寄存器也會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，這就是亞穩(wěn)態(tài)的傳播。
②：亞穩(wěn)態(tài)的毛刺直接輸出可能會導致系統(tǒng)錯誤，如送錯中斷。
③：采樣到錯誤的電平，導致功能錯誤。在狀態(tài)機內，如果狀態(tài)機的正常功能狀態(tài)為 2.4.6.8，由于產(chǎn)生產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)導致狀態(tài)機進入1.3.5.7的狀態(tài)，會使狀態(tài)機掛死在非法狀態(tài)。
④：在異步讀取RAM時，讀寫時鐘不一致，如果出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，會導致數(shù)據(jù)讀錯，（或者漏讀，或者漏寫）。
1.3亞穩(wěn)態(tài)的處理：
一般來說，只要是異步信號同步化，都會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，只要等待一定的時間，都能恢復成穩(wěn)定狀態(tài)，等待的時間取決于MTBF和期間本身。
MTBF （平均無故障時間）與可靠性如果一個設計中包含同步組件，無論是否愿意它都會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)無法徹底消除，因此我們所做的就是計算錯誤概率以及在時間上來描述它。讓我們來看一下，假設這里有一個物理系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)錯誤發(fā)生的概率為 1/1000。換句話說，每一千次采樣就會因為亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生一次錯誤。這也意味著，每一千次，輸出就會在下一個時鐘沿到來時，無法變化。如果時鐘頻率為 1KHz，那么每秒都會有一次錯誤出現(xiàn)，MTBF 值就為 1 秒。當然，這個假設過于簡單；MTBF 是一種故障概率的統(tǒng)計度量，并且需要更為復雜、經(jīng)驗化、實驗化的數(shù)據(jù)來計算。對于觸發(fā)器來說，這種關系依賴于電路自身的物理常數(shù)和時鐘頻率，記住亞穩(wěn)態(tài)本身與時鐘沒有任何關系，但是它和 MTBF 相關。自然的，我們會說一個可靠性好的電路具有很高的 MTBF 值。
①：經(jīng)典的處理方法為多拍
異步信號經(jīng)過第一個寄存器，如果發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)，2nS(假設MTBF=1000Y)左右返回到穩(wěn)定態(tài)，如果時鐘周期大于2ns(時鐘頻率小于500MHz), 那么顯然第二個寄存器就沒有亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生了。此時亞穩(wěn)態(tài)的唯一影響就是不能在最準確的時刻識別到異步信號，有可能早一拍，或者晚一拍識別。
多說一點，為了處理亞穩(wěn)態(tài)，識別異步信號需要的時間就較長(2拍或者更多)，這就是目前流行的同步設計的代價。
②： 降低亞穩(wěn)態(tài)帶來的危害。
一個良好的設計必須有好的容錯能力,讓設計對亞穩(wěn)態(tài)不敏感。如果亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)，至少要有能力恢復。
1.狀態(tài)機如果有異步信號輸入，一定要多拍處理異步信號，并且使用安全狀態(tài)機，任何情況下不可以讓狀態(tài)機掛死在非法狀態(tài)。
2.異步接口不可能做到準確地定時，在預算精度時，必須容忍+/-1拍的延時。
3.異步FIFO兩個時鐘域的地址交互時,使用格雷碼計數(shù)器并多拍處理, 可減低對亞穩(wěn)態(tài)的敏感.
4.能用低的頻率實現(xiàn)的功能，不要用高的頻率。頻域較高時，要用三拍或者更多的觸發(fā)器來降低亞穩(wěn)態(tài)的危害。
5.較陡的信號邊沿(包括數(shù)據(jù)和時鐘)有利于降低發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率。
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