Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 193
Текст из файла (страница 193)
Рекомендуемая схема синхронизирующего устройства 886 Глава 8. практическая разработка схем последовательной логики Сигналы на входе трипера гЕ1 асннхронны по отношению к тактовому сигналу и могут поступать с нарушением требований, предаявляемых временем установления и временем удержания. Если это происходит, то выходной сигнал МЕТд ста новнтся метастабильным и остается в этом состоянии произвольно долго. Пред положим, однако, что максимальное время метастабильности, после того как прошел фронт тактового сигнала, равно г,.
(В следующем разделе мы покажем, как найти вероятность того, что наше предположение верно.) Коль скоро период тактового сигнала больше, чем г плюс время установления триггера гг2, сигнал яу)ЧСПЧ становится синхронной копией асинхронного вхолного сигнала на следующем такте тактового сигнала, никогда не оказываясь метастабильным.
Далее сигнал Яу)ЧС)Ы можно использовать повсеместно в системе по мере необходимости. 13.9.4. Анализ времени пребывания в состоянии гметастабильн ости 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 г и г„; эти два интервала времени образуют окно принятия решения 5 (а~есв)ол иоЫов): на этом отрезке триггер берет выборку сигнала на входе данных и решает, нужно ему изменять выходной сигнал нпи нет. Если сигнал на входе 0 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 г . Если входной сигнал 0 изменяется в пределах окна принятия решения, как показано на рис. (Ь), то метастабильность может возникнуть и просуществовать до конца интервала времени г . (а) (Ь) сьоск ссоск Рис. 8.97. Временные параметры, учитываемые при анализе метастабильности: (а) нормальная работа триггера; (Ь) метастабильное поведение НЕБОЛЬШОЕ УТОЧНЕНИЕ Рассматривая синхронизируюшее устройство, изображенное на рис.
8.9б, мы не допускали возможности возникновения метастабильности на выходе триггера РЕ2 даже на короткое время, поскольку предполагалось, что система спроектирована с нулевым запасом по времени. Но если система допускает небольшое увеличение задержки прохождения сигнала через триггер гг2, то значение МТВР, вычисляемое в разделе 8,9.4, будет немного лучше. 8.9.Сбойврвбстесиихроиивирующегоустройства и метаствбипьиость 887 Теоретическое исследование показывает (а практический опыт подтверждает), что при изменении асинхронного входного сигнала в пределах окна принятия решения длительность пребывания выхода в метастабильном состоянии описывается экспоненциальной зависимостью: МТВ1'(Р„) = т. Г Здесь МТВŠ— среднее время между оаказами (Меап Уйпе Вепгееп Га17игез) синхронизирующего устройства, если считать, что отказ происходит в том случае, когда метастабильность выходит за пределы отрезка времени длительностью г после фронта тактового сигнала; г > т .
Значение МТВЕ зависит от частог г рд' ты сигналаГна тактовом входе триггера; а — число изменений асинхронного входного сигнала, поступающего на вход данных триггера, в секунду; Т и т— а константы, зависящие от электрических характеристик трипера. В типичном случае — для ИС 74СЗ74 — Т = 0.4 с, т = 1.5 нс. Предположим теперь, что создается микропроцессорная система с частотой тактового сигнала 10 МГц и со схемой, преобразующей асинхронный входной сигнал в синхронный, изображенной на рис. 896.
Если сигнал АРЛЧСОЧ изменяется в пределах окна принятия решения триггера ЕЕ1, то выход МЕТА может оставаться в состоянии метастабильности в течение интервала времени т . Если сигнал МЕТА все еще остаетг' ся метастабильным к началу окна принятия решения трштера ЕЕ2, то происходит сбой в работе синхронизируюшего устройства, так как выход триггера ЕЕ2 может оказаться метастабильным; в этом случае поведение системы непредсказуемо.
Пусть 17-триггерами в схеме на рис. 8.96 являются триггеры из ИС 74СЗ74. Время установления г для такого триггера равно 20 нс, тогда как период тактового сигнала в нашем примере микропроцессорной системы равен 100 нс; таким образом, допустимая продолжительность пребывания в метастабильном состоянии составляет 80 нс. Если асинхронный входной сигнал изменяется 100000 раз в секунду, то среднее время между сбоями синхронизирующего устройства равно МТВг(80нс)= ' =З.б 10 ' с.
0.4 10'.10' Это совсем неплохо: 100 столетий между сбоями! Правда, если бы нам удалось продать 1О 000 таких систем, то одна из них давала бы сбой раз в году. Но рассмотрим все же более серьезную проблему. Предположим, что, модернизируя нашу систему, мы используем кристалл процессора с тактовой частотой 16 МГц. Возможно„нам понадобится заменить некоторые компоненты, чтобы система работала с большей скоростью, но триггеры в ИС 74ЬЯ74 вполне успешно переключаются с частотой 16 МГц. Или их тоже надо заменить7 Коль скоро период тактового сигнала теперь равен 62,5 нс, новое значение МТВЕ для нашего синхронизируюшего устройства равно МТВД(42.5 нс) = 7 = 3.1 с! ехр(42.5/1.5) 0.4 1.6.10 10 888 Глава 8.
Практическая разработка схем последовательной логики ЧТО ПОНИМАТЬ ПОД а И г? Выход триггера может перейти в метастабильное состояние малько в том случае, если сигнал на входе 0 изменяется в пределах окна принятия решения. Но в формулу для МТВР явным образом не входит число таких попаданий. Вместо этого в ней фигурирует общее число а изменений асинхронного входного си~нала в секунду и предполагается, что эти изменения распределены равномерно по периоду тактового сигнала. Поэтому доля изменений входною си~нала, действительно происходящих в пределах окна принятия решения, окажется «учтенной» в параметре/: с увеличением частоты тактового сигнала Гвсе большее число изменений входного сигнала попадает в окно принятия решения.
Если в создаваемой системе изменения входного сигнала не распределены равномерно по периолу тактового сигнала, а группируются в окрестности окна принятия решения (это может происходить в том случае, когда изменения в синхронизуемом входном сигнале как-то привязаны к системному тактовому сигналу с фиксированным, но неизвестным сдвигом по фазе), то полезное правило оценки заключается в том, чтобы в качестве частоты брать величину, обратную длительности окна принятия решения (на основании сообщаемых производителем значений времени установления и времени удержания), умноженную для надежности на коэффициент порядка 10. Единственное достоинство рассматриваемого синхронизирующего устройства состоит в том, что из-за его отвратительного поведения на частоте 16 МГц проблема, вероятнее всего, обнаружится на стадии лабораторных испытаний, а не после того, как изделие поступит в продажу! Не дай бог, чтобы значение МТВР было порядка года.
8.9.5. Более совершенные синхронизирующие устройства Имеется несколько возможностей построения более надежных синхронизирующих устройств, чем в случае использования для этих целей ИС 74ЕВ74, когда характеристики синхронизирующего устройства оказываются совсем плохими уже при средних значениях тактовой частоты. Простейшее решение- это применение триггеров, изготовленных по технологии, обеспечивающей большее быстродействие; в большинстве случаев это позволят удовлетворить требованиям, предъявляемым к разрабатываемой системе. В настоящее время имеются триггеры со значительно ббльшим быстродействием, как в отдельных микросхемах, так и внутри ПЛУ, ИС типа Ррбл и в специализированных ИС.
В табл. 8.35 перечислены параметры, относящиеся к метастабильности, для нескольких распространенных логических семейств; эти сведения взяты, главным образом, из технических характеристик, публикуемых производителями. Числовые значения параметров в очень сильной степени зависят от схемных решений и технологии изготовления ИС.
В отличие от гарантированных логических уровней сигналов и их временных параметров, числовые значения величин, характеризующих метастабильность, могут изменяться в очень широких пределах 8.н. клюй в работе синхрониаирующего устройства и метастабильность 889 для ИС одного и того же типа в зависимости от производителя, и поэтому пользо- ваться ими следует с большой осторожностью. Например, ИС 74Г74 одного производителя могут давать приемлемые характеристики метастабильности, тогда как в случае другого производителя это условие оказывается невыполненным. Табл.
8.38. Параметры, характеризующие метастабильность, для ряда рас- пространенных ИС Источник инфо)змации Тип ИС т (нс) Т (с) ,( ) 40 !О' 1.0 !О ь 50 10ь 40 1О' 1.50 741.874 74874 66,14 748174 748374 40.86 74Р74 17.68 74).бхх 63.97 745хх 74А1.8хх 74АБхх 74Рхх 74нсхх РА!.С!688-25 41.07 0.1 1 Сургеьь (19971 Сургеьк (1997) Сургеьь (19971 Хрйпх (1997) Х!1)пх (1997) 0.52 14.22"' РА(Х22Ч10Б-20 0.26 РА(.СВ22Ч)0-7 0.19 СР(33-серия 7300 СРЮ-серия 9500 0.17 Заметьте, что у различных авторов и производителей параметры метастабильности могут быть определены по-разному.
Например, Чейни (Спапеу) и Техаз !пзггцшеп1з (Т!) отсчитывают время выхода из метастабильности от переключакчцего фронта тактового сигнала, то есть так же, как это делали мы в предыдущем разделе. В противоположность этому, Сургезз и Х(!1пх под г понимают время, которое должно бьжь добавлено к нормальному времени задержки г а от ра тактового входа до выхода. Критерий качества, указанный в последнем столбце таблицы, в какой-то степени произволен: это значение времени выхода из метастабильности г, необходнмое для того, чтобы величина МТВГ составляла 1000 лет при работе синхронизирующего устройства с частотой 25 МГц и при 100000 изменений асинхронного входного сигнала в секунлу. Для схем фирм Сургеья и Х1!|пх значения г помечены звездочкой в знак того, что имеется в виду их собственное определение этой величины согласно сказанному выше Сбапеу (1983) Сйапеу И 983) Слапеу (1983) Сйаг1су (1983) Спапеу 11983) Т1 (1997) 'П (1997) Т1(19971 Т1 (1997) Т1 (1997) Т) Н 997) 20 10' 48 10 3 )З 10" 87 !О" 1.4 10э !.9 10" 15 10Р 9.5 10 'з 56 !Он 1,3 10-" 1.0 10-" 9.6 10 м 890 Глава 8.
Практическая разработка схем последовательной логики Как вы можете видеть, ИС 74)„874 — одна из худших микросхем, перечислен ных в таблице. Если в ! 6-магагерцной микропроцессорной системе, рассматри. вавшейся в качестве примера в предыдущем разделе, заменить ЕЕ! на триггер из ИС 74АЕБ74, то получим: 8.7 10 .1.6 1О -!О Если вам годится синхронизирующее устройство со значением МТВГ, равным 65 столетиям, для каждого из проданных изделий, то на этом можно остановиться. Но если на триггер из ИС 74АЬЯ74 заменить также и ЕЕ2, то значение МТВГ станет еще лучше, так как у схем 'А).874 время установления меньше чем у ИС 'Ы74, и составляет всего 10 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
