如果在具有多個時鐘的非同步系統中使用FPGA，或者系統中的時鐘頻率或相位與FPGA所使用時鐘頻率或相位不同，那么設計就會遇到亞穩態問題。不幸的是，如果設計遇到上述情況，是沒有辦法完全解決亞穩態問題的，不過還是有一些方法可降低系統出現亞穩態問題的幾率。

先來深入研究一下引起亞穩態的原因，再談談用哪些方法加以應對。

什么是亞穩態
在FPGA等同步邏輯數字器件中，所有器件的寄存器單元都需要預定義信號時序以使器件正確地捕獲數據，進而產生可靠的輸出信號。當另一器件將數據發送給FPGA時，FPGA的輸入寄存器必須在時鐘脈沖邊沿前保證最短的建立時間和時鐘脈沖邊沿后的保持時間，從而確保正常完整地 接收信號。

在一定的延遲后，寄存器輸出端隨后將信號發送到FPGA的其他部分。不過，如果信號傳輸違反了指定時間要求，那么輸出寄存器可能就會進入所謂的亞穩態，這就導致寄存器輸出值會在高低狀態之間波動，且這種狀態的時間不確定，從而使穩定輸出狀態無法達到寄存器指定的時間，進而造成性能略有延遲或邏輯行為的副效應。

解決問題
一般來說，將FPGA連接到另一個具有不同時鐘域的數字器件時，必須給FPGA的輸入部分添加一級同步，使FPGA時鐘域中的第一個寄存器充當同步寄存器。為了實現這一目的，可在FPGA器件的輸入級中使用一系列寄存器或同步寄存器鏈。該鏈可在輸入寄存器將信號發送到FPGA的其他區域之前，允許 能有更多的時間解決潛在的亞穩態信號問題。亞穩態信號的穩定時間通常比一個時鐘周期要短得多，因此即便延遲半個時鐘周期，亞穩態出現的概率也會按數量級減少。

為了降低亞穩態問題的出現概率，在設計中實現的一系列寄存器（連接成移位寄存器）必須滿足以下標準要求：

所有寄存器必須由同一時鐘，或與同一時鐘相位相關的時鐘控制。

鏈中每個寄存器的扇出都僅針對相鄰的寄存器。

由于不能完全消除亞穩態問題，因此必須做好解決問題的準備。為此，設計人員采用平均故障間隔時間(MTBF)這個指標來估算從問題出現并導致故障的兩個事件間的平均時間。MTBF值越高，說明設計的穩定性越高。如果發生了“故障”，只是說明沒有解決亞穩態問題，并不是系統本身真的出現了故障。

如欲了解測量亞穩態的方法，敬請訪問：http://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp094.pdf，查閱賽靈思應用指南XAPP094。
可用以下方程式計算出寄存器的MTBF：

在本例中，C1和C2代表寄存器技術相關常數，tMET代表亞穩態的穩定時間。

可根據每個寄存器的MTBF，確定總的MTBF值。同步器的故障率為1/MTBF，則將每個同步器的故障率相加，就能計算出整個設計的故障率：

從上式可以明顯看出，通過改進寄存器單元的架構，優化設計以延長同步寄存器的tMET，甚至增加鏈中寄存器的數量等多種方法來改進MTBF。

高層代碼與布局圖
如果發現輸入信號存在潛在的亞穩態問題，只需創建與同一時鐘有相位關系的時鐘驅動的寄存器鏈就能解決此問題。這需要提供如圖1所示的電路。