CC BY
155
УДК 621.3
МЕТАСТАБИЛЬНОСТЬ ТРИГГЕРОВ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИС А.В. Строгонов, А.И. Буслов, С.А. Цыбин
В статье рассматриваются вопросы, посвященные проблеме метастабильности триггеров, которая проявляется в быстродействующих системах на базе ПЛИС и при синхронизации асинхронных сигналов. Устранить этот эффект невозможно, возможно лишь уменьшить вероятность этого эффекта
• Ключевые слова: метастабильность, триггер, ПЛИС
Метастабильность - явление, присущее всем триггерам (однотактным и двухтактным), вне зависимости от технологии изготовления -биполярная, КМОП - или БиКМОП, в результате которой триггер может “сбиться” (происходит приостановка срабатывания триггера, которая воспринимается как отказ). Проявляется в быстродействующих системах на базе ПЛИС и при синхронизации асинхронных сигналов. Устранить этот эффект невозможно, возможно лишь уменьшить вероятность этого эффекта [1].
На рис.1 представлена модель двухтактного триггера (триггер тактируемый фронтом синхросигнала или триггер типа Master/Slave), используемая для анализа метастабильности. Усилитель может принимать два устойчивых состояния, которые соответствуют полярности
входного напряжения. В момент начала тактового периода ключ S2 размыкается, ключ Sj замыкается и конденсатор C заряжается до входного напряжения Vin (рис.1). К моменту завершения тактового периода, ключ S2 замыкается а ключ S} размыкается и усилитель, под действием положительной
обратной связи через резистор R] переходит в режим насыщения, при котором сигнал на выходе имеет амплитуду равную напряжению питания и
полярность соответствующую полярности входного напряжения. В момент размыкания ключа S} не должно происходить изменение логического уровня сигнала Vin, иначе при двухуровневом сигнале на входе конденсатор может разрядиться. Напряжение на конденсаторе VC влияет на время, которое необходимо для перехода триггера в одно из устойчивых состояний, при замыкании ключа S2. В этом режиме, напряжение на выходе усилителя определяется следующей зависимостью [1]:
Vaut (t) = VmeKt™‘ , (1)
где K -- постоянная времени, зависящая от полосы пропускания усилителя и параметров ключей S} и S2; tmet - задержка срабатывания триггера вследствии метастабильности.
Строгонов Андрей Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, [email protected] Буслов Артем Иванович - ВГТУ, магистрант, тел. 89155822767
Цыбин Сергей Александрович - ОАО “Конструкторско-Технологический Центр
“Электроника”, генеральный директор, тел. (4732) 43-76-95
С Разомкнут
Замнут
с Разомкнут ' Замнут
V*
Ус Ум
\J 5, замыкается и на емкость С поступает входной сигнал Ц,
S2 размыкается, разрывая контур положительной обратной связи
і'
начато такта
задержка передачи сигнала с входа на выход усилителя
Рис.1. Модель триггера для анализа метастабильности и временные диаграммы его работы
Два интервала времени tSU (время установки сигнала) и th (время удержания сигнала) образуют окно принятия решения (рис.2, а, табл.1). На этом отрезке времени триггер берет выборку сигнала на входе данных и решает, нужно ему изменять выходной сигнал или нет. Если асинхронный информационный сигнал DATA на входе триггера изменяется за пределами этого окна, то гарантируется его переход в одно из устойчивых состояний, не позднее времени tpd (нормальная задержка распространения информационного сигнала от входа до выхода Q триггера, отсчитывается по переднему фронту синхроимпульса CLK, иногда обозначают tCo). Если информационный сигнал D меняется в пределах этого окна, может возникнуть метастабильность и просуществовать до окончания интервала tmet (рис.2, б) [2]. Чем больше это окно, тем больше
вероятность, что триггер попадет в метастабильное состояние. Если метастабильность превышает интервал времени tmet, т.е. tmet > tpd то это фиксируется как отказ. Из табл.1 видно, что у современных семейств логических ИС средней
степени интеграции окно принятия решения меньше и следовательно, вероятность попадания в метастабильное состояние меньше. Внутри окна принятия решения существует критическая точка Ід, которая может быть определена как: ґ$и - 4. При приближении к этой точке, задержка переключения триггера ^ начинает расти пропорционально логарифму разности между фактическим временем установления и временем установления соответствующего критической точке. для
различных типов триггеров может составлять от 10 до 100 пс.
У различных производителей БИС параметры метастабильности определяются по-разному [2]. Производители заказных БИС, такие как Texas Instruments и Chaney отсчитывают время выхода из метастабильности по переднему фронту синхроимпульса (рис.2). Производители ПЛИС такие как Altera и Xilinx, под метастабильностью понимают время которое должно быть прибавлено к нормальному времени задержки tCo (рис.3) [2-6].
CLK
< tclk
окно принятия решения
X
—V
JATA X
значение
меняется
rzix
окно принятия решения
Q )
■ ,
}
состояние метастабильности — *met
С
а) 6)
Рис.2. Анализ метастабильности работы триггера тактируемого фронтом синхросигнала: а - нормальная работа триггера; б - метастабильное поведение (метастабильность отсчитывается от переднего фронта
синхроимпульса)
DATA ^ ШШЁк 74AC74 4.0 0.5 4.5
74ACT74 3.0 1.0 4.0
CLK 74ACTQ74 3.0 1.5 4.5
*SU —t — При изменении асинхронного сигнала Data в
-tmet -
Рис.3. Анализ метастабильности (задержка, вызванная метастабильностью, добавляется к задержке /со)
Рассмотрим расчет среднего времени между отказами для синхронизирующего устройства, состоящего из двух последовательно включенных триггеров с общим синхросигналом, предположив, что второй триггер не подвержен метастабильности.
Таблица 1
Окно принятия решения для триггеров 74хх74
пределах окна принятия решения, длительность пребывания выхода Р триггера в метастабильном состоянии описывается экспоненциальной зависимостью [2-6]:
Sp2 xtm
MTBF = -
Триггер tsu, нс 4, нс ttotah нс
74C74 100.0 0 100.0
74HC74 20.0 0 20.0
74HCT74 20.0 0 20.0
7474 20.0 5 25.0
74ALS74 15.0 10.0 25.0
74LS74 20 0 20
74S74 3.0 2.0 5.0
—, (2)
C1 X fCLK X fDATA
где MTBF — среднее время между отказами синхронизирующего устройства; fCLK — частота синхросигнала CLK на тактовом входе триггера; fDATA — частота асинхронного информационного сигнала DATA поступающего на вход данных (число изменений сигнала DATA); Cj и С2 — константы, зависящие от электрических характеристик триггера и технологического процесса изготовления БИС. В наихудшем случае,
если fDATA = °.5fCLK , то [3]:
e (C2 Xtmet)
MTBF =---------------—. (3)
0.5 X Cj X fCLK
Константу С связывают с критической точкой td, ответственна за вероятность наступления метастабильного состояния при каждом переходе
входного сигнала, а С2 описывает скорость наступления этого состояния [5].
На рис.4 показана схема метода по
исследованию характеристик метастабильности триггеров ПЛИС фирмы Xilinx [4,5]. Подобный метод использует и фирма Altera [6]. Если асинхронный сигнал Data меняется в пределах окна принятия решения, вследствии несоблюдения временных требований по установке и удержанию сигнала Data, то выход триггера 1 будет находиться в метастабильном состоянии (или логический ноль или логическая единица). Триггеры 1 и 2 включены по приципу простейшей схемы синхронизирующего устройства, которое за определенное время позволяет выйти из метастабильного состояния. В этом случае период синхроимпульса берется большим, чем время tmet. Поэтому к моменту появления второго переднего фронта синхроимпульса с учетом времени установки-удержания триггера 2, выход QB становиться копией сигнала Data.
Выходной сигнал QA триггера 1 параллельно поступает на триггер 2, который записывается в нем по переднему фронту синхроимпульса и на триггер
3, который записывается по срезу синхроимпульса. В случае если выход QA будет находиться в метастабильном состоянии, то триггер 3 по первому срезу фронта синхроимпульса Clk может зафиксировать наличие логического нуля на выходе
QA . По второму переднему фронту
синхроимпульса выход QB установиться в состояние логической единицы и на выходе логического элемента Исключающее ИЛИ фиксируется логическая единица, которая будет записана в триггер 4 по срезу второго синхроимпульса. Которая распознается как отказ вследствии наличия метастабильности.
Шестнадцатиразрядный счетчик подсчитывает число таких отказов.
/777-
«с-
Qd-
1
Рис.4. Схема метода по изучению характеристик метастабильности и временные диаграммы
На рис.5 показана связь метастабильности со среднем вренем между отказами ПЛИС фирмы
Altera. Константы С1 следующим образом [6]:
С2
определяются
С2 =
ALn(MTBF) = Ln MTBF2 - Ln MTBF1
Atm
и Cj =■
(4)
eiC2xtm,
-----. (5)
МТВР х /сЬК х /ОАТА Увеличение или уменьшение значения константы С\ перемещает зависимость МТББ от вверх или вниз, т.е. масштабирует МТББ линейно. Константа С2 влияет на угол наклона зависимости МТББ от /те(. Увеличение частоты тактового сигнала /сьК приводит к сдвигу в право зависимость МТББ от /те( и снижению значения МТББ.
Зарубежные фирмы-производители БИС и ПЛИС дают информацию по константам С и С2 . Задаваясь требуемым значением МТББ, можно рассчитать время /те( [6]:
/ = Ьп(мтвР х Ск х /эАТА х С1)
Со
(6)
В качестве примера рассмотрим расчет констант С1 и С2 по рис.6 для ИС 74АЬ8 серии фирмы Т1 [3]. Произвольно выберем величины МТВ¥1 = 10-2 с и МТВР2 = 102 с. По графику
определим величины tmet1 рассчитаем С2 :
= 10 5 и tmet 2 = 19 5 нс и
_ Ln 102 - Ln 10~2 _ 02 _1_ 2 _ 19.5 -10.5 _ ' нс
Для наихудшего случая, определим константу С1 по формуле:
С 2 х ex P(C2 х tmet) _ 2 х ex p(.02 х 19.5)
С1 _
102 х1012
_ 8.7 х10-6 с.
МТВР х /¿Ьк
Подставим полученные значения в формулу (2) и получим формулу для определения МТБ Б 74АЬ8 серии:
е(1.02х/тй)
МТВ¥ =-------------6----------------. (7)
8.7 х 10 х /с1к х /эАТА
t ________ t
1 met2 1 met1
и
Рис.5. Зависимость среднего времени наработки на отказ MTBF от tmet
Рис.6. Метастабильные характеристики ИС 74 серии фирмы Texas Instruments
Проведем расчет времени выхода из метастабильности при величине MTBF 1000 лет при работе синхронизирующего устройства с частотой 25 МГц и 100000 измений асинхронного информационного сигнала в секунду (fDATA = 105 Гц) по справочным данным (табл.2). За 1 год приближенно примем з х107 с. Согласно этой таблице наиболее худшей является серия 74HCxx.
Таблица 2
Расчет времени выхода из метастабильности при величине MTBF 1000 лет при работе
Фирма произво дитель Серия, тип ИС Ci, с C2, 1/нс m О S.
Altera FLEX10K, FLEX 8000, FLEX 6000 1.01-10-13 12.68 1.79
MAX9000 2.98-10-17 5.023 2.91
TI* 74TTLxx 2.9-10-4 0.74 60.17
74LSxx 4.8-10-3 0.74 63.96
74ALSxx 8.7-10-6 1.0 41.02
74ASxx 1.4103 4.0 14.98
74Fxx 1.9-108 9.2 7.8
74HCxx 1.46-10-6 0.55 71.34
Xilins XC4005E-3 0.1-10-9 16.1 1.84
*- параметры метастабильности для логических ИС различных серий фирмы Т1 рассчитаны для наихудшего случая, когда
/вата = °.5 /сък
Покажем, что незначительное увеличение /тег
сильно влияет на величину МТББ. Предположим, что мы проектируем синхронизирующее устройство с МТББ 1 год на ПЛИС БРБ8452А с /вата — 2 МГц
и /сък — 10 МГц и константами С1 и С2 указанными в табл.1:
п(зх107 х 10 х 106 х 2 х 106 х С1 ) =,
^ ' — 1.
С2
_ 1.41нс (8)
В технической документации фирмы Altera при проектировании отказоустойчивых
синхронизирующих устройств рекомендуется найденное значение /тег прибавить к задержке /со и повторно провести временной анализ. Если требуется спроектировать синхронизирующее
устройство с МТБ Б 10 лет, то время выхода из
метастабильности составит 1.59 нс.
Фирма ХШпх использует формулу (1) для расчета МТББ. В техническом отчете [4,5] приводятся экспериментально определенные значения константы С2 для триггеров тактируемых фронтом синхросигнала конфигурируемых
логических блоков (КЛБ, СЬБ) и для триггеров блоков ввода/вывода (Б/В, 10Б). Например, для ПЛИС ХС4005Б-3: С2 —16.1 1/нс для триггеров
КЛБ и С2 —19.4 1/нс для триггеров блоков Б/В. Константа Сх для рассмотренных в отчете серий ПЛИС задается равной С1 — 0.1 нс. При
синхронизации асинхронного информационного сигнала триггеров КЛБ и блоков В/В
изменяющегося с частотой /вата — 1 МГ ц тактовым сигналом с частотой /сък —10 МГц, среднее время между отказами определяется по формуле [4]:
МТВ¥ —10-3 х ес2 хт . (9)
На рис.7 показана зависимость среднего времени между отказами для триггеров КЛБ и блоков Б/Б ПЛИС фирмы ХШпх ( /вата — 1 МГц, /сък —10 МГц). Из рис.7 видно, что если при
проектировании высокоскоростных систем на ПЛИС фирмы ХШпх учитывать задержки срабатывания триггеров вследствии
метастабильности 2-3 нс, то МТББ обусловленная этим явлением, может быть более миллиона лет.
XC400SE-3 XC4QD5E-3 ХС5206-5 ХС3142А-09 ХС4005-6 ХС4005-6
Рис.7. Среднее время между отказами для триггеров КЛБ и блоков Б/Б ПЛИС фирмы ХШпх
( /вата — 1 МГц /сък —10 МГц)
При расчете схемы синхроизирующего устройства, состоящего из одного триггера, на ИС средней степени интеграции, например на ИС типа 74АЬ874 (Т1), допустимое время пребывания в метастабильном состоянии триггера
синхронизирующего устройства составляет:
tmet — {сЬК - 18и — /-18и . При /сЪК — 10 МТц,
1ськ
/ВАТА —100 кГц и tSU — 25 нс допустимое время составляет 75 нс, а МТВ¥ синхронизирующего устройства составит:
е(1-Их75) 18
—-е--------------------— 6.4 х 1018 лет.
МТВГ(75 нс) —--------------------
8.7 х 10-6 х 10 МГц х 100 кГц
При /сък —16 МГц, допустимое время в
метастабильном состоянии составит 37,5 нс а
е(02х37.5)
МТВГ(37.5 нс) —---------- -----------------— 97 лет.
8.7 х 10-6 х 16 МГц х 100 кГц
При увеличении /сък до 20 МГц, т.е. на 20 % МТББ синхронизирующего устройства уже составит 6800 с или 2 ч.
Если синхронизирующее устройство состоит из двух триггеров, то МТББ может быть найдено по формуле [7]:
е( х(теЯ) ( , )
МТВ¥ —-------------------хе(2 х т 2). (10)
с1 х /сък х /вата Предположим, что в синхронизирующем устройстве используются два триггера 74АЬ874. При /сък — 20 МГц, /вата —100 кГц, tSu — 25 нс среднее время между отказами составит:
МТВЕ(75 нс) —----—^----)-х е(1.02х 75) и 27 млн. лет.
8.7 х10-6 х10МГц х100 кГц
Общими рекомендациями по снижению метастабильности являются использование триггеров с более высоким быстродействием, т. е. с большим значением С2; использование цепочки последовательно включенных триггеров с общим синхросигналом, т. е. на каждом асинхронном входе должно последовательно стоять два или более триггера, для увеличения допустимого tmet;
увеличение длительности периода синхросигнала, что приводит к уменьшению вероятности попадания информационного сигнала Data в окно метастабильности. А также использование триггеров с иммунитетом к метастабильности, например ИС, например ИС серии 74F50XXX фирмы Philips Semiconductors [8].
Литература
1. Джонсон, Говард В., Грэхем, Мартин. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом “Вильямс”, 2006. -624 с.
2. Джон Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств. Том I.: Пер. с англ. - М.: Постмаркет, 2002. - 1087 с.
3. Texas Instruments. Metastable response in 5-v logic circuits. sdya006.pdf. February 1997.
4. www.xilinx.com. Xilinx_metastable_recove-ry_2.pdf. Metastability recovery in Xilinx FPGAs
5. www.xilinx.com. Xapp094.pdf. Application note. Metastable Recovery. XAPP 094 November 24, 1997 (Version 2.1).
6. www.altera.com. Metastability in Altera Devices. Application Note 42. May 1999, ver.4. an042.pdf.
7. Texas Instruments. Chris Wellheuser. Metastability performance of clocked FIFOs. First-In, First-Out Technology. Advanced System Logic -Semiconductor Group. SCZA004A.pdf.
8. Philips Semiconductors. 74F50109. Synchronizing dual J-K positive edge-triggered flip-flop with metastable immune characteristics. Product specification. IC15. Data Handbok. 1990. Sep. 14.
Воронежский государственный технический университет ОАО “Конструкторско-Технологический Центр “Электроника”
METASTABILITY OF TRIGGERS IN FIELD-PROGRAMMABLE GATE ARRAYS
A.V. Strogonov, A.I. Buslov, S.A.Tsybin
Questions, devoted the problem of metastability of triggers, which shows up in the high-performance systems in field-programmable gate arrays and during synchronization of asynchronous signals, are examined in the article. Removing this effect is impossible, possibly only to decrease probability of this effect
Key words: metastability, trigger, field-programmable gate arrays
