Metastabilität (Elektronik) - Metastability (electronics)

Eine Veranschaulichung der Metastabilität in einem Synchronizer, bei dem Daten zwischen Taktdomänen kreuzen. Im schlimmsten Fall kann sich die metastabile Bedingung bei Ds abhängig vom Timing zu Dout und durch die folgende Logik in weitere Teile des Systems ausbreiten, was zu undefiniertem und inkonsistentem Verhalten führt.

Metastabilität in der Elektronik ist die Fähigkeit eines digitalen Elektroniksystems , für eine unbegrenzte Zeit in einem instabilen Gleichgewicht oder metastabilen Zustand zu verharren . In digitalen Logikschaltungen muss ein digitales Signal innerhalb bestimmter Spannungs- oder Stromgrenzen liegen, um einen Logikpegel „0“ oder „1“ für einen korrekten Schaltungsbetrieb darzustellen ; wenn das Signal innerhalb eines verbotenen Zwischenbereichs liegt, kann dies zu fehlerhaftem Verhalten der Logikgatter führen, an die das Signal angelegt wird. In metastabilen Zuständen ist die Schaltung möglicherweise nicht in der Lage, sich innerhalb der für einen ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb erforderlichen Zeit auf einen stabilen logischen Pegel "0" oder "1" einzupendeln. Als Ergebnis kann die Schaltung auf unvorhersehbare Weise agieren und kann zu einem Systemfehler führen, der manchmal als "Störung" bezeichnet wird. Metastabilität ist ein Beispiel für das Eselparadox der Buridan .

Metastabile Zustände sind inhärente Merkmale des asynchronen digitalen Systemen sowie von Systemen mit mehr als einem unabhängigen Taktdomäne. In selbstgetakteten asynchronen Systemen sind Arbiter so ausgelegt, dass das System erst fortfahren kann, nachdem die Metastabilität aufgelöst wurde, so dass die Metastabilität ein normaler Zustand und kein Fehlerzustand ist. In synchronen Systemen mit asynchronen Eingängen sind Synchronisierer so ausgelegt, dass sie die Wahrscheinlichkeit eines Synchronisationsfehlers akzeptabel klein machen. Metastabile Zustände sind in vollständig synchronen Systemen vermeidbar, wenn die Eingangs- Setup- und Haltezeit- Anforderungen an Flip-Flops erfüllt sind.

Beispiel

Das Set-Reset-NOR-Latch-Beispiel

Ein einfaches Beispiel für Metastabilität kann in einem SR NOR-Latch gefunden werden , wenn sowohl die Set- als auch die Reset-Eingänge wahr sind (R=1 und S=1) und dann beide ungefähr gleich auf falsch übergehen (R=0 und S=0) Zeit. Beide Ausgänge Q und Q werden anfänglich von den gleichzeitigen Set- und Reset-Eingängen auf 0 gehalten. Nachdem sich sowohl die Set- als auch die Reset-Eingänge auf falsch ändern, wird das Flip-Flop (eventuell) in einem von zwei stabilen Zuständen enden, einem von Q und Q wahr und dem anderen falsch. Der Endzustand hängt davon ab, welcher von R oder S chronologisch zuerst auf Null zurückkehrt, aber wenn beide ungefähr zur gleichen Zeit übergehen, kann die resultierende Metastabilität mit mittleren oder oszillatorischen Ausgangsniveaus beliebig lange dauern, bis sie sich in einen stabilen Zustand auflöst.

Schiedsrichter

Hauptartikel: Schiedsrichter (Elektronik)

In der Elektronik ist ein Arbiter eine Schaltung, die bestimmt, welches von mehreren Signalen zuerst ankommt. Arbiter werden in asynchronen Schaltungen verwendet, um Rechenaktivitäten für gemeinsam genutzte Ressourcen anzuordnen, um gleichzeitige falsche Operationen zu verhindern. Arbiter werden an den Eingängen von vollständig synchronen Systemen und auch zwischen Taktdomänen als Synchronisierer für Eingangssignale verwendet. Obwohl sie das Auftreten von Metastabilität auf sehr geringe Wahrscheinlichkeiten zu minimieren, werden alle Arbiter haben dennoch metastabilen Zustände, die unvermeidbar sind , an den Grenzen der Regionen des Eingangszustandsraum in verschiedenen Ausgängen führt.

Synchronschaltungen

Synchronisierer werden verwendet, wenn Signale zwischen Taktdomänen übertragen werden. Ein einfaches Synchronisiererdesign beinhaltet das einfache Verzögern des Eingangssignals (data0) von einer anderen Taktdomäne unter Verwendung mehrerer flankenempfindlicher Flip-Flops, die lokal getaktet sind (clock0)

Synchrone Schaltungsentwurfstechniken machen digitale Schaltungen resistent gegen die Fehlermodi, die durch Metastabilität verursacht werden können. Eine Taktdomäne ist als eine Gruppe von Flip-Flops mit einem gemeinsamen Takt definiert. Solche Architekturen können einen Schaltkreis bilden, der garantiert frei von Metastabilität ist (unterhalb einer bestimmten maximalen Taktfrequenz, oberhalb derer zuerst Metastabilität und dann völliger Ausfall auftritt), vorausgesetzt, ein gemeinsamer Takt mit niedrigem Skew wird vorausgesetzt . Aber selbst dann, wenn das System von irgendwelchen kontinuierlichen Eingaben abhängig ist, sind diese wahrscheinlich anfällig für metastabile Zustände.

Wenn synchrone Entwurfstechniken verwendet werden, muss ein Schutz gegen metastabile Ereignisse, die Systemausfälle verursachen, nur bereitgestellt werden, wenn Daten zwischen verschiedenen Taktdomänen oder aus einem nicht getakteten Bereich in das synchrone System übertragen werden. Dieser Schutz kann oft die Form einer Reihe von Verzögerungs-Flipflops annehmen, die den Datenstrom so lange verzögern, dass Metastabilitätsfehler mit einer vernachlässigbaren Rate auftreten.

Fehlermodi

Obwohl die Metastabilität gut verstanden ist und Architekturtechniken zu ihrer Kontrolle bekannt sind, bleibt sie als Fehlermodus in Geräten bestehen.

Schwerwiegende Computer- und digitale Hardwarefehler, die durch Metastabilität verursacht werden, haben eine faszinierende Sozialgeschichte. Viele Ingenieure haben sich geweigert zu glauben, dass ein bistabiles Gerät einen Zustand annehmen kann, der weder wahr noch falsch ist und eine positive Wahrscheinlichkeit hat, dass er für einen bestimmten Zeitraum unbestimmt bleibt, wenn auch mit exponentiell abnehmender Wahrscheinlichkeit im Laufe der Zeit. Metastabilität ist jedoch ein unvermeidliches Ergebnis jedes Versuchs, eine kontinuierliche Domäne auf eine diskrete abzubilden. An den Grenzen in der kontinuierlichen Domäne zwischen Regionen, die auf unterschiedliche diskrete Ausgaben abbilden, bilden Punkte in der kontinuierlichen Domäne auf unterschiedliche Ausgaben willkürlich dicht beieinander ab, wodurch eine Entscheidung getroffen wird, welche Ausgabe ein schwieriger und möglicherweise langwieriger Prozess zu wählen ist. Wenn die Eingaben zu einem Arbiter oder Flip-Flop fast gleichzeitig eintreffen, durchquert die Schaltung höchstwahrscheinlich einen Metastabilitätspunkt. Metastabilität wird in einigen Kreisen noch wenig verstanden, und verschiedene Ingenieure haben ihre eigenen Schaltkreise vorgeschlagen, die die Metastabilität lösen oder herausfiltern sollen; typischerweise verschieben diese Schaltkreise einfach das Auftreten von Metastabilität von einem Ort zum anderen. Chips, die mehrere Taktquellen verwenden, werden oft mit Testertakten getestet, die feste Phasenbeziehungen haben, und nicht die unabhängigen Takte, die während des Betriebs aneinander vorbei driften. Dies verhindert normalerweise explizit, dass der metastabile Fehlermodus, der im Feld auftritt, angezeigt oder gemeldet wird. Beim richtigen Testen auf Metastabilität werden oft Takte mit leicht unterschiedlichen Frequenzen verwendet, um einen korrekten Schaltungsbetrieb sicherzustellen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links