1、1 数字电路设计中的几个基本概念：1.1 建立时间和保持时间：建立时间（setup time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；保持时间（hold time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间， 如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。 数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为零。 PLD/FPGA开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时间注：在考虑建立保持时间时，应该考虑时钟树向后偏斜的情况，在考虑建立时间时应该考虑时钟树向前偏斜的
2、情况。在进行后仿真时，最大延迟用来检查建立时间，最小延时用来检查保持时间。建立时间的约束和时钟周期有关，当系统在高频时钟下无法工作时，降低时钟频率就可以使系统完成工作。保持时间是一个和时钟周期无关的参数，如果设计不合理，使得布局布线工具无法布出高质量的时钟树，那么无论如何调整时钟频率也无法达到要求，只有对所设计系统作较大改动才有可能正常工作，导致设计效率大大降低。因此合理的设计系统的时序是提高设计质量的关键。在可编程器件中，时钟树的偏斜几乎可以不考虑，因此保持时间通常都是满足的。1.2 FPGA中的竞争和冒险现象信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短
3、和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为毛刺。如果一个组合逻辑电路中有毛刺出现，就说明该电路存在冒险。（与分立元件不同，由于PLD内部不存在寄生电容电感，这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递，因此毛刺现象在PLD、FPGA设计中尤为突出）是一个逻辑冒险的例子，从图3的仿真波形可以看出，A、B、C、D四个输入信号经过布线延时以后，高低电平变换不是同时发生的，这导致输出
4、信号OUT出现了毛刺。（我们无法保证所有连线的长度一致，所以即使四个输入信号在输入端同时变化，但经过PLD内部的走线，到达或门的时间也是不一样的，毛刺必然产生）。可以概括的讲，只要输入信号同时变化，（经过内部走线）组合逻辑必将产生毛刺。 将它们的输出直接连接到时钟输入端、清零或置位端口的设计方法是错误的，这可能会导致严重的后果。 所以我们必须检查设计中所有时钟、清零和置位等对毛刺敏感的输入端口，确保输入不会含有任何毛刺冒险往往会影响到逻辑电路的稳定性。时钟端口、清零和置位端口对毛刺信号十分敏感，任何一点毛刺都可能会使系统出错，因此判断逻辑电路中是否存在冒险以及如何避免冒险是设计人员必须要考虑的
5、问题。如何处理毛刺我们可以通过改变设计，破坏毛刺产生的条件，来减少毛刺的发生。例如，在数字电路设计中，常常采用格雷码计数器取代普通的二进制计数器，这是因为格雷码计数器的输出每次只有一位跳变，消除了竞争冒险的发生条件，避免了毛刺的产生。毛刺并不是对所有的输入都有危害，例如D触发器的D输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并且满足数据的建立和保持时间，就不会对系统造成危害，我们可以说D触发器的D输入端对毛刺不敏感。 根据这个特性，我们应当在系统中尽可能采用同步电路，这是因为同步电路信号的变化都发生在时钟沿，只要毛刺不出现在时钟的沿口并且不满足数据的建立和保持时间，就不会对系统造成危害。 （由于毛刺很
6、短，多为几纳秒，基本上都不可能满足数据的建立和保持时间）去除毛刺的一种常见的方法是利用D触发器的D输入端对毛刺信号不敏感的特点，在输出信号的保持时间内，用触发器读取组合逻辑的输出信号，这种方法类似于将异步电路转化为同步电路。图4给出了这种方法的示范电路，图5是仿真波形。 如前所述，优秀的设计方案，如采用格雷码计数器，同步电路等，可以大大减少毛刺，但它并不能完全消除毛刺。 毛刺并不是对所有输入都有危害，例如D触发器的D输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并且满足数据的建立和保持时间，就不会对系统造成危害。因此我们可以说D触发器的D输入端对毛刺不敏感。但对于D触发器的时钟端，置位端，清零端，则都是
7、对毛刺敏感的输入端，任何一点毛刺就会使系统出错，但只要认真处理，我们可以把危害降到最低直至消除。下面我们就对几种具体的信号进行探讨。1.3 清除和置位信号在FPGA的设计中，全局的清零和置位信号必须经过全局的清零和置位管脚输入，因为他们也属于全局的资源，其扇出能力大，而且在FPGA内部是直接连接到所有的触发器的置位和清零端的，这样的做法会使芯片的工作可靠、性能稳定，而使用普通的IO脚则不能保证该性能。在FPGA的设计中，除了从外部管脚引入的全局清除和置位信号外在FPGA内部逻辑的处理中也经常需要产生一些内部的清除或置位信号。清除和置位信号要求象对待时钟那样小心地考虑它们，因为这些信号对毛刺也是
8、非常敏感的。在同步电路设计中，有时候可以用同步置位的办法来替代异步清0。在用硬件描述语言的设计中可以用如下的方式来描述：异步清0的描述方法：process(rst,clk)beginif rst=1 thencount0);elsif clkevent and clk=1 thencount=count+1;end if;end process;同步清0的描述方法：processbeginwait until clkevent and clk=1;if rst=1 thencount0);elsecount=count+1;end if;end process;1.4 触发器和所存器：我们知道
9、，触发器是在时钟的沿进行数据的锁存的，而所存器是用电平使能来锁存数据的。所以触发器的Q输出端在每一个时钟沿都会被更新，而所存器只能在使能电平有效器件才会被更新。在FPGA设计中建议如果不是必须那么应该尽量使用触发器而不是所存器。那么在使用硬件描述语言进行电路设计的时候如何区分触发器和所存器的描述方法哪？其实有不少人在使用的过程中可能并没有特意区分过，所以也忽略了二者在描述方法上的区别。下面是用VHDL语言描述的触发器和所存器以及综合器产生的电路逻辑图。触发器的语言描述：processbeginwait until clkevent and clk=1;q=d;end process;所存器的语
10、言描述：process(en,d)beginif en=1 thenq=d;end if;end process;由上述对Latch的描述可见，其很容易于选择器的描述相混淆，用VHDL语言对选择器的描述方法如下：process(en,a,b)beginif en=1 thenq=a;elseq=b;end if;end process;2 FPGA/CPLD中的一些设计方法2.1 FPGA设计中的同步设计异步设计不是总能满足(它们所馈送的触发器的)建立和保持时间的要求。因此，异步输入常常会把错误的数据锁存到触发器，或者使触发器进入亚稳定的状态,在该状态下，触发器的输出不能识别为l或0。如果没有
11、正确地处理，亚稳性会导致严重的系统可靠性问题。另外，在FPGA的内部资源里最重要的一部分就是其时钟资源（全局时钟网络），它一般是经过FPGA的特定全局时钟管脚进入FPGA内部，后经过全局时钟BUF适配到全局时钟网络的，这样的时钟网络可以保证相同的时钟沿到达芯片内部每一个触发器的延迟时间差异是可以忽略不计的。在FPGA中上述的全局时钟网络被称为时钟树，无论是专业的第三方工具还是器件厂商提供的布局布线器在延时参数提取、分析的时候都是依据全局时钟网络作为计算的基准的。如果一个设计没有使用时钟树提供的时钟，那么这些设计工具有的会拒绝做延时分析有的延时数据将是不可靠的。在我们日常的设计中很多情形下会用到
12、需要分频的情形，好多人的做法是先用高频时钟计数，然后使用计数器的某一位输出作为工作时钟进行其他的逻辑设计。其实这样的方法是不规范的。比如下面的描述方法：processbeginwait until clkevent and clk=1;if fck=1 thencount0);elsecount=count+1;end if;end process;processbeginwait until count(2)event and count(2)=1 ;shift_reg=data;end process;在上述的第一个process电路描述中，首先计数器的输出结果（count(2)）相对于全
13、局时钟clk已经产生了一定的延时（延时的大小取决于计数器的位数和所选择使用的器件工艺）；而在第二个process中使用计数器的bit2作为时钟，那么shift_reg相对于全局clk的延时将变得不好控制。布局布线器最终给出的时间分析也是不可靠的。这样产生的结果波形仿真如下图所示：正确的做法可以将第二个process这样来写。processbeginwait until clkevent and clk=1 ;if count(2 downto 0)=”000” thenshift_reg=data;end if;end process;或者分成两步来写：process(count)begini
14、f count(2 downto 0)=”000” thenen=1;elseen=0;end if;end process;processbeginwait until clkevent and clk=1 ;if en=1 thenshift_reg add_12_a_0 = (0 & count_buffer(0)(10 downto 0);add_12_b_0 add_12_a_0 = (0 & count_buffer(0)(21 downto 11);add_12_b_0 add_12_a_0 = (00 & count_buffer(0)(31 downto 22);add_12
15、_b_0 add_12_a_0 X）;add_12_b_0 X）;end case;end process;-12 bits adderadd_12_result_0 = add_12_a_0 + add_12_b_0;-Bytes Countprocess(RST,CLK_25MHz,IO,OE_bar,data_sel,Count_0_en)beginif(RST = 1)then -system Resetcount_buffer(0) 0);Carry_0_0 = 0;Carry_0_1 = 0;Carry_0_2 = 0;elsif(CLK_25MHzevent and CLK_25
16、MHz = 0)thenif(OE_bar = 0 and data_sel = 0)thencount_buffer(0) = IO;Carry_0_2 count_buffer(0)(10 downto 0) = add_12_result_0(10 downto 0);Carry_0_0 count_buffer(0)(21 downto 11) = add_12_result_0(10 downto 0);Carry_0_1 count_buffer(0)(31 downto 22) = add_12_result_0(9 downto 0);Carry_0_2 Carry_0_2 =
17、 0;end case;end if;end if;end process;2.4 信号输出当你需要将FPGA/CPLD内部的信号通过管脚输出给外部相关器件的时候，如果不影响功能最好是将这些信号通过用时钟锁存后输出。因为通常情况下一个板子是工作于一种或两种时钟模式下，与FPGA/CPLD相连接的芯片的工作时钟大多数情形下与FPGA的时钟同源，如果输出的信号经过时钟锁存可以起到如下的作用：容易满足芯片间信号连接的时序要求；容易满足信号的建立保持时间；如上图所示，比如FPGA/CPLD在CLK的时钟沿1锁存一个信号得到SIG所示的波形，SIG信号需要给另外的一个与其接口的芯片，那么该芯片将一定会在
18、CLK的时钟沿2正确采样到SIG信号。但是如果该信号在FPGA/CPLD中输出的时候不是用时钟沿锁存的，那将有可能出现SIG1/SIG2所示的时序关系，则与其接口的芯片在时钟沿2处采样该信号的时候有可能出现建立保持时间不满足要求而出现采样不可靠、沿打沿等情况。另外通过组合逻辑输出还有可能出现毛刺的情况。所有这些不规范的设计都会引起系统工作时的不可靠、不稳定的情形。2.5 寄存异步输入信号我们在日常的设计工作中，FPGA/CPLD总是要与别的芯片相连接的，FPGA/CPLD会给别的芯片输出信号，同时也要处理别的芯片送来的信号，这些信号往往对FPGA/CPLD内部的时钟系统而言是异步的，为了可靠的
19、采样到这些输入信号，建议将这些输入信号使用相应的时钟锁存后在处理，这样做：将原来的异步信号转化成同步来处理；去除输入信号中的毛刺（特别是对于数据总线）；2.6 FPGA/CPLD中的时钟设计无沦是用离散逻辑、可编程逻辑，还是用全定制硅器件实现的任何数字设计，为了成功地操作，可靠的时钟是非常关键的。设计不良的时钟在极限的温度、电压或制造工艺的偏差情况下将导致错误的行为，并且调试困难、花销很大。在设计FPGA/CPLD时通常采用几种时钟类型。时钟可分为如下四种类型：全局时钟、门控时钟、多级逻辑时钟和波动式时钟。多时钟系统能够包括上述四种时钟类型的任意组合。无论采用何种方式，电路中真实的时钟树也无法
20、达到假定的理想时钟，因此我们必须依据理想时钟，建立一个实际工作时钟模型来分析电路，这样才可以使得电路的实际工作效果和预期的一样。在实际的时钟模型中，我们要考虑时钟树传播中的偏斜、跳变和绝对垂直的偏差以及其它一些不确定因素。对于寄存器而言，当时钟工作沿到来时它的数据端应该已经稳定，这样才能保证时钟工作沿采样到数据的正确性，这段数据的预备时间我们称之为建立时间（setup time）。数据同样应该在时钟工作沿过去后保持一段时间，这段时间称为保持时间（hold time）。其中网络延迟是指时钟的传播延时以及因为跳变不垂直等效的偏差，在此基础上考虑一些不确定因素实际的工作时钟沿如图中所示。保持时间（h
21、old）和建立时间（setup）都是相对于实际时钟跳变而言的。因此在确定电路时序时，必须要考虑到这些因素，使得建立时间和保持时间符合要求。为了使电路正常工作，建立时间和保持时间应该分别满足：其中tclock_Q_max是时钟沿变化到数据输出端变化的最慢变化情况，tlogic_max是寄存器间组合逻辑的最大可能延迟，tclock_Q_min和tlogic_min表示最快情况。在考虑建立保持时间时，应该考虑时钟树向后偏斜的情况，在考虑建立时间时应该考虑时钟树向前偏斜的情况。在进行后仿真时，最大延迟用来检查建立时间，最小延时用来检查保持时间。2.6.1 全局时钟对于一个设计项目来说，全局时钟(或同步
22、时钟)是最简单和最可预测的时钟。在PLD/FPGA设计中最好的时钟方案是：由专用的全局时钟输入引脚驱动的单个主时钟去钟控设计项目中的每一个触发器。只要可能就应尽量在设计项目中采用全局时钟。PLD/FPGA都具有专门的全局时钟引脚，它直接连到器件中的每一个寄存器。这种全局时钟提供器件中最短的时钟到输出的延时。定时波形示出触发器的数据输入D1.3应遵守建立时间和保持时间的约束条件。建立和保持时间的数值在PLD数据手册中给出，也可用软件的定时分析器计算出来。如果在应用中不能满足建立和保持时间的要求，则必须用时钟同步输入信号。（最好的方法是用全局时钟引脚去钟控PLD内的每一个寄存器，于是数据只要遵守相
23、对时钟的建立时间tsu和保持时间th）2.6.2 门控时钟在许多应用中，整个设计项目都采用外部的全局时钟是不可能或不实际的。PLD具有乘积项逻辑阵列时钟（即时钟是由逻辑产生的），允许任意函数单独地钟控各个触发器。然而，当你用阵列时钟时，应仔细地分析时钟函数，以避免毛刺。通常用阵列时钟构成门控时钟。门控时钟常常同微处理器接口有关，用地址线去控制写脉冲。然而，每当用组合函数钟控触发器时，通常都存在着门控时钟。如果符合下述条件，门控时钟可以象全局时钟一样可靠地工作：驱动时钟的逻辑必须只包含一个“与”门或一个“或”门。如果采用任何附加逻在某些工作状态下，会出现竞争产生的毛刺。逻辑门的一个输入作为实际的
24、时钟，而该逻辑门的所有其它输入必须当成地址或控制线，它们遵守相对于时钟的建立和保持时间的约束。可靠的门控时钟的实例，用一个“与”门产生门控时钟，用一个“或”门产生门控时钟。在这两个实例中，引脚nWR和nWE考虑为时钟引脚，引脚ADDo3是地址引脚，两个触发器的数据是信号D1.n经随机逻辑产生的。波形图显示出有关的建立时间和保持时间的要求。这两个设计项目的地址线必须在时钟保持有效的整个期间内保持稳定(nWR和nWE是低电平有效)。如果地址线在规定的时间内未保持稳定，则在时钟上会出现毛刺，造成触发器发生错误的状态变化。另一方面，数据引脚D1n只要求在nWR和nWE的有效边沿处满足标准的建立和保持时
25、间的规定。我们往往可以将门控时钟转换成全局时钟以改善设计项目的可靠性。地址线在控制D触发器的使能输入，许多PLD设计软件，如MAX+PLUSII软件都提供这种带使能端的D触发器。当ENA为高电平时，D输入端的值被钟控到触发器中：当ENA为低电平时，维持现在的状态。重新设计的电路的定时波形表明地址线不需要在nWR有效的整个期间内保持稳定；而只要求它们和数据引脚一样符合同样的建立和保持时间，这样对地址线的要求就少很多。图5给出一个不可靠的门控时钟的例子。3位同步加法计数器的RCO输出用来钟控触发器。然而，计数器给出的多个输入起到时钟的作用，这违反了可靠门控时钟所需的条件之一。在产生RCO信号的触发
26、器中，没有一个能考虑为实际的时钟线，这是因为所有触发器在几乎相同的时刻发生翻转。而我们并不能保证在PLD/FPGA内部QA,QB,QC到D触发器的布线长短一致，因此，在器从3计到4时，RCO线上会出现毛刺（假设QC到D触发器的路径较短，即QC的输出先翻转）。(定时波形示出在计数器从3到4改变时，RCO信号如何出现毛刺的)2.6.3 多级逻辑时钟当产生门控时钟的组合逻辑超过一级(即超过单个的“与”门或“或”门)时，证设计项目的可靠性变得很困难。即使样机或仿真结果没有显示出静态险象，但实际上仍然可能存在着危险。通常，我们不应该用多级组合逻辑去钟控PLD设计中的触发器。含有险象的多级时钟的例子。时钟
27、是由SEL引脚控制的多路选择器输出的。多路选择器的输入是时钟(CLK)和该时钟的2分频(DIV2)。定时波形图看出，在两个时钟均为逻辑1的情况下，当SEL线的状态改变时，存在静态险象。险象的程度取决于工作的条件。 多级逻辑的险象是可以去除的。例如，你可以插入“冗余逻辑”到设计项目中。然而，PLD/FPGA编译器在逻辑综合时会去掉这些冗余逻辑，使得验证险象是否真正被去除变得困难了。为此，必须应寻求其它方法来实现电路的功能。更多请阅读原文或下载原文【分享】如果您觉得本文有用，请点击右上角“”扩散到朋友圈！关注电子工程专辑请搜微信号:“eet-china”或点击本文标题下方“电子工程专辑”字样,进入官方微信“关注”。http:/m.forum.eet-
