FPGA如何处理--器件数据传输的异步处理

　　记于：2020.6.29

　　概述：在FPGA设计中，异步信号是咱们须要重点照顾的，不少不起眼的（缺少咱们仔细思考处理的）信号，每每会给咱们的设计带来挥之不去的隐患。没错，就是那种时不时出现的小问题，你想他出现的时候，它不必定出现。可是，在你想早点下班的时候，它却会不经意出现。在这个笔记里边，我将讲述一个处理一个外部输入异步信号的过程。

　　过程：

　　在咱们的一个产品中，须要用到一个母板以及一个子板，各自有一个FPGA芯片做为信号处理传输的中心。这两个FPGA之间，使用同一个状态机（3个状态，使用2bit），分别是idle状态（00），load状态（01），rtx状态（10）。从母板到子板使用的是2个普通的信号线链接，使用的是3.3v信号线，子板跟母板使用的时钟信号都是100MHz。该信号在子板中使用，做为重要的状态机信号，离职的工程师是直接的将该信号直接使用，甚至都没有将这个输入信号buffer一下。

　　那么，现象是什么样子的呢？那就是在产品作高低温的时候，常常会采集的信号抖动（消失）。其实，如今回过头来，能够考虑获得，确定是采集这个时间段的信号出现了异常。可是，因为整个信号链路比较长，咱们也怀疑过是否其余模块的输出或者开关引发的干扰问题引发的。事实上，我接手后，在处理高低温的问题上，开始也是焦头烂额，这个工程的可维护性实在太差了。顶层使用的是quartus的图像界面，像硬件同样的连线的，那么能够想象的是，他确定没有对这个设计作仿真的。而后，代码的整洁、规范、注释，确定是没有的，想都不要想。上一个离职的工程师接手过来，两年了都不敢改动一点，就算是改动了，也过不了高低温测试，也就是没法转产。好吧，离题了。总之，在验证高低温的过程当中，出现问题的缘由可能不少。

　　在我检查外部输入信号的时候，我发现这些信号都没有作输入输出的io_buffer,那不用多说了，先加上，稳妥一些。事实上，为这两根信号I_fsm_state加上输入输出buffer以后，高低温出现问题的几率（特别是低温）的状况明显减小了。原来在10台仪器中，通常会有8台高低温问题，如今可能变成了3/10台有问题。固然出现高低温问题的缘由还有其余的，好比ADC的数据采样同步问题，这个是另一个话题。当我处理完其余问题以后，也试过一次测试10台高低温，所有经过的状况。当我自觉得是没有问题以后，在接下来的一年里边，大概是两三个月，质检人员会拿一台两台仪器过来给我说是低温问题，在-10度的左右的时候出现系统信号混乱不正常的状况，等到问题升高几度，又会恢复正常。这种状况，由于自己机器从-10度的冰箱里边拿出来，开机十几分钟后，机器自己会发热，温度天然会上去，所以这不算是严重问题，也不会影响使用，加上出现的状况极少，所以我也就敷衍过去了，总的来讲，我是没有更多的头绪，以及充足的时间来解决这个问题，毕竟出现问题的时间仍是很短的。

　　根本因素出现了：

　　然而，我在调试另外另一个新板子的时候，意外的发现，这个I_fsm_state[1:0]信号，跳转竟然出现这种状况： 01 01 01 01 01 00 10 10 10 10 10；实际上，这个状态机的跳转，应该是01 01 01 01 01 10 10 10 10.也就是说，只有从01->10的状况，没有从01->00的这个设计的。当我检查是否有buffer，以及将I_fsm_state打两拍以后再使用，状况仍是同样。这时候，我就考虑，这两个信号从不一样的IO出来，通过排插走线，在100MHz的时钟下，是否可以彻底的同步呢，也便是I_fsm_state[0]须要从1->0,  以及I_fsm_state[1]须要从 0->1 ，这两个信号可否彻底同步的跳转呢。在理想状况下，是能够的，可是实际上，这两个FPGA的时钟是同频异步的，这个两个信号通过不一样的物理走线，不免会出现延时不一致的状况。所以，出现不一样步反而是必然的状况。

　　那么，既然问题的可能缘由找到了，那么问题很好解决了。方法也是多种多样的，我想到的方法一，使用时钟进行跟FIFO作跨时域处理，这个是经常使用的方法，可是须要添加时钟信号又要浪费信号线，使用FIFO，总以为仍是浪费了一些资源。方法二，增长一些同步状态机逻辑，至关于去抖电路，例如当信号从01->10的时候，若是出现00，则不进行处理，保证状态机的顺序是正常的，不会中间出现01 01 00 10 10的这种状况，毕竟两个板子出现一个周期的跳动对系统没有影响。所以，我选择了方法二，可是，这种方法不是必然合适，当须要处理的bit数位宽比较多的时候，这种方法就不适用了。方法3、若是使用格雷码的状态机，应该能够避免这个问题的，可是因为该状态机牵涉到的东西比较多，因此仍是做罢。

　　这样，因为这两个信号的异步处理而引发的问题消失了。

　　感想：如何处理异步信号，方法上，咱们确定听过不少，也知道出现这些状况应该怎么处理。可是，当咱们设计的时候，很容易忽略这些处理方法，或者说，咱们没有挨过板子，就不会把这些设计原则记在内心。在咱们能够进行代码设计的时候，须要尽量的按照前人总结的原则，不要走没必要要的弯路。