Метастабильность (электроника) - Metastability (electronics)

Иллюстрация метастабильности в синхронизаторе, когда данные пересекаются между доменами часов. В худшем случае, в зависимости от времени, метастабильное состояние в Ds может распространяться на Dout и через следующую логику в большую часть системы, вызывая неопределенное и непоследовательное поведение.

Метастабильность в электронике - это способность цифровой электронной системы неограниченное время оставаться в нестабильном равновесном или метастабильном состоянии. В цифровых логических схемах цифровой сигнал должен находиться в определенных пределах напряжения или тока, чтобы представлять логический уровень «0» или «1» для правильной работы схемы; если сигнал находится в запрещенном промежуточном диапазоне, это может вызвать неправильное поведение логических элементов, к которым применяется сигнал. В метастабильных состояниях схема может быть не в состоянии установить стабильный логический уровень «0» или «1» в течение времени, необходимого для правильной работы схемы. В результате схема может действовать непредсказуемым образом и может привести к сбою системы, который иногда называют «сбоем». Метастабильность - это пример парадокса буридановой задницы .

Метастабильные состояния являются неотъемлемыми чертами асинхронных цифровых систем и систем с более чем одним независимым доменом синхронизации . В самосинхронных асинхронных системах арбитры предназначены для того, чтобы позволить системе работать только после разрешения метастабильности, поэтому метастабильность является нормальным состоянием, а не состоянием ошибки. В синхронных системах с асинхронными входами синхронизаторы предназначены для уменьшения вероятности сбоя синхронизации. В полностью синхронных системах метастабильных состояний можно избежать, если соблюдаются требования к настройке входа и времени удержания на триггерах.

Пример

Пример защелки Set – Reset NOR

Простой пример метастабильности можно найти в защелке SR NOR , когда оба входа Set и Reset истинны (R = 1 и S = ​​1), а затем оба переходят в false (R = 0 и S = ​​0) примерно с одинаковым время. Оба выхода Q и Q изначально удерживаются на 0 одновременными входами Set и Reset. После того, как оба входа Set и Reset изменятся на false, триггер (в конечном итоге) окажется в одном из двух стабильных состояний, одно из Q и Q истинно, а другое ложно. Конечное состояние будет зависеть от того, какой из R или S возвращается к нулю первым, в хронологическом порядке, но если оба переходят примерно в одно и то же время, результирующая метастабильность с промежуточными или колебательными уровнями выходного сигнала может занять сколь угодно много времени, чтобы перейти в стабильное состояние.

Арбитры

Основная статья: арбитр (электроника)

В электронике арбитр - это схема, предназначенная для определения того, какой из нескольких сигналов поступит первым. Арбитры используются в асинхронных цепях для упорядочивания вычислительных действий для общих ресурсов для предотвращения одновременных некорректных операций. Арбитры используются на входах полностью синхронных систем, а также между доменами часов в качестве синхронизаторов входных сигналов. Хотя они могут минимизировать возникновение метастабильности до очень низкой вероятности, все арбитры, тем не менее, имеют метастабильные состояния, которые неизбежны на границах областей входного пространства состояний, приводя к различным выходным данным .

Синхронные схемы

Синхронизаторы используются при передаче сигналов между доменами часов. Одна простая конструкция синхронизатора включает простую задержку входного сигнала (data0) из другого тактового домена с использованием нескольких чувствительных к фронту триггеров, которые синхронизируются локально (clock0).

Методы проектирования синхронных схем делают цифровые схемы устойчивыми к режимам отказа, которые могут быть вызваны метастабильностью. Домен синхронизации определяется как группа триггеров с общим тактовым. Такие архитектуры могут формировать схему, гарантированно свободную от метастабильности (ниже определенной максимальной тактовой частоты, выше которой происходит сначала метастабильность, а затем полный отказ), предполагая, что общие тактовые импульсы с малым перекосом . Однако даже тогда, если система зависит от любых непрерывных входов, они, вероятно, будут уязвимы для метастабильных состояний.

Когда используются методы синхронного проектирования, защита от метастабильных событий, вызывающих сбои системы, должна быть обеспечена только при передаче данных между разными доменами синхронизации или из не синхронизированной области в синхронную систему. Эта защита часто может принимать форму серии триггеров задержки, которые задерживают поток данных на достаточно долгое время, чтобы сбои метастабильности происходили с незначительной скоростью.

Режимы отказа

Хотя метастабильность хорошо изучена и известны архитектурные методы управления ею, она сохраняется как режим отказа оборудования.

Серьезные ошибки компьютеров и цифрового оборудования, вызванные метастабильностью, имеют увлекательную социальную историю. Многие инженеры отказываются верить, что бистабильное устройство может войти в состояние, которое не является ни истинным, ни ложным, и имеет положительную вероятность того, что оно будет оставаться неопределенным в течение любого заданного периода времени, хотя и с экспоненциально убывающей вероятностью с течением времени. Однако метастабильность - неизбежный результат любой попытки отобразить непрерывную область в дискретную. На границах в непрерывной области между регионами, которые отображаются на разные дискретные выходы, точки, произвольно близко расположенные друг к другу в непрерывной области, отображаются на разные выходы, принимая решение о том, какой выход выбрать сложный и потенциально длительный процесс. Если входные данные для арбитра или триггера поступают почти одновременно, схема, скорее всего, пройдет точку метастабильности. Метастабильность остается плохо изученной в некоторых кругах, и различные инженеры предложили свои собственные схемы, которые, как утверждается, решают или отфильтровывают метастабильность; обычно эти схемы просто переносят возникновение метастабильности из одного места в другое. Микросхемы, использующие несколько источников синхронизации, часто тестируются с помощью тестовых часов, которые имеют фиксированное фазовое соотношение, а не независимых часов, дрейфующих друг относительно друга, которые будут наблюдаться во время работы. Обычно это явно предотвращает обнаружение или сообщение о метастабильном режиме отказа, который может произойти в полевых условиях. При правильном тестировании на метастабильность часто используются часы с немного разными частотами и гарантируется правильная работа схемы.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки