资料来源www.fpga.com.cn/advance.htm
撰写：    朱健军
版本：    1.0
时间：    20040308
§1   关于毛刺问题的探讨
§1.1 可靠性有关的几个概念

一  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。如图1 。 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。

二  竞争和冒险
几乎所有关于数字电路的教材，都会提到数字电路中的竞争和冒险问题，但是这个问题往往被我们忽略。我们可以先来回顾一下关于竞争和冒险的一些基本概念。

（一）PLD内部毛刺产生的原因
我们在使用分立元件设计数字系统时，由于PCB走线时，存在分布电感和电容，所以几纳秒的毛刺将被自然滤除，而在PLD内部决无分布电感和电容，所以在PLD/FPGA设计中，竞争和冒险问题将变的较为突出。

（二）FPGA中的冒险现象
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）
图6.21给出了一个逻辑冒险的例子，从图6.22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问题。
判断一个逻辑电路在某些输入信号发生变化时是否会产生冒险，首先要判断信号是否会同时变化，然后判断在信号同时变化的时候，是否会产生冒险，这可以通过逻辑函数的卡诺图或逻辑函数表达式来进行判断。对此问题感兴趣的读者可以参考有关脉冲与数字电路方面的书籍和文章。

（三）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）
    以上方法可以大大减少毛刺，但它并不能完全消除毛刺，有时，我们必须手工修改电路来去除毛刺。我们通常使用"采样"的方法。一般说来，冒险出现在信号发生电平转换的时刻，也就是说在输出信号的建立时间内会发生冒险，而在输出信号的保持时间内是不会有毛刺信号出现的。如果在输出信号的保持时间内对其进行"采样"，就可以消除毛刺信号的影响。
有两种基本的采样方法：一种方法是在输出信号的保持时间内，用一定宽度的高电平脉冲与输出信号做逻辑"与"运算，由此获取输出信号的电平值。图6.23说明了这种方法，采样脉冲信号从输入引脚"SAMPLE"引入。从图6.24的仿真波形上可以看出，毛刺信号出现在"TEST"引脚上，而"OUT"引脚上的毛刺已被消除了.
上述方法的一个缺点是必须人为的保证sample信号必须在合适的时间中产生，另一种更常见的方法是利用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6.25给出了这种方法的示范电路，图6.26是仿真波形。
在仿真时，我们也可能会发现在FPGA器件对外输出引脚上有输出毛刺，但由于毛刺很短,加上PCB本身的寄生参数,大多数情况下,毛刺通过PCB走线,基本可以自然被虑除，不用再外加阻容滤波。
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。


§2 时钟信号   
最关键的信号之一，有专门的论述，请参阅关于时钟问题的探讨。


§3 清除和置位信号
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非常敏感的。正如使用时钟那样，最好的清除和置位是从器件的引脚单直接地驱动。有一个主复位Reset引脚是常用的最好方法，主复位引脚给设计项目中每个触发器馈送清除或置位信号。几乎所有PLD器件都有专门的全局清零脚和全局置位。如果必须从器件内产生清除或置位信号，则要按照“门控时钟”的设计原则去建立这些信号，确保输入无毛刺。
若采用门控清除或者门控置位，则单个引脚或者触发器作为清除或置位的源，而有其它信号作为地址或控制线。在清除或复位的有效期间，地址或控制线必须保持稳定图4．2．13示出4个容许的清除和复位配置的实例。决不能用多级逻辑或包含竞争状态单级逻辑产生清除或置位信号。更详细的考虑见4.2．5节“竞争状态”。


§4 组合逻辑输出
当PLD输出引脚给出系统内其它部分的边沿敏感信号或电平敏感信号时，这些出信号必须象内部时钟、清除和置位信号一样小心地对待。只要可能就应在PLD输出端寄存那些对险象敏感的组合输出。如果你不能寄存险象敏感的输出，则应符合“门控时钟”中讨论的门控时钟的条件。决不能用多级逻辑驱动毛刺敏感的输出。


§5异步输入信号
按照定义，异步输入不是总能满足(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。如果没有正确地处理，亚稳性会导致严重的系统可靠性问题。
图4．2.14示出具有异步信号控制使能输入的二进制计数器。当使能输入违反计数的建立时间或保持时间的约束条件时，计数器的每一位会有错误的动作。一位在加法数器而另一位在保持状态，造成计数器进入无效状态。此外，各位中的任何一位都可1变成亚稳定的，使电路的其它部分出现各种问题。
采用附加触发器同步使能信号的方法可保证不违反计数器的建立时间，从而解决可靠性的问题。图4．2．15示出一种同步化的方法。虽然同步触发器仍会感受到亚稳性，但它在下一个时钟边沿之前是稳定的。通常，为在EPLD中避免亚稳性问题，决不能把一个异步信号输出到器件内两个或更多的触发器中。同步异步输入的另一种方法示于图4．2．16。输入驱动一个触发器的时钟，该触发器的数据输入接到Vcc。这个电路对于检测短于一个时钟周期的异步事件是有用的。

§5.1 寄存异步输入信号
亚稳定状态。图4.4．10示出了一个具有异步输入的状态机。图乙4．10 带有异步输入的状态机图4．4。1l表明了如何通过增加输入寄存器，以确保满足状态机所要求的建立时间和保持时间。虽然增加的寄存器仍然要面对可能出现的c违反建立和保持时间的现象，但是已防止状态寄存器进入亚稳态，状态机也不会进入未定义的状态。


§6 关于时钟的讨论
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PLD/FPGA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。

§6.1 全局时钟
对于一个设计项目来说，全局时钟(或同步时钟)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。
图1 示出全局时钟的实例。图1定时波形示出触发器的数据输入D[1..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(参看下一章“异步输入”)。(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对时钟的建立时间tsu和保持时间th)

§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：
1.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辑在某些工作状态下，会出现竞争产生的毛刺。
2.逻辑门的一个输入作为实际的时钟，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。
图2和图3 是可靠的门控时钟的实例。在 图2 中，用一个“与”门产生门控时钟，在图3中，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ADD[0．．3]是地址引脚，两个触发器的数据是信号D[1..N]经随机逻辑产生的。
图2和图3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D[1．．N]只要求在NWR和NWE的有效边沿处满足标准的建立和保持时间的规定。
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。图4 示出如何用全局时钟重新设计图2的电路。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。图4中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，如图5 的时间波形所示，计数器从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）。图6给出一种可靠的全局钟控的电路，它是图5不可靠计数器电路的改进，RCO控制D触发器的使能输入。这个改进不需要增加PLD的逻辑单元。

§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，使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。
图7给出一个含有险象的多级时钟的例子。时钟是由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)。由图7的定时波形图看出，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。
图8 给出 图7电路的一种单级时钟的替代方案。图中SEL引脚和DIV2信号用于使能D触发器的使能输入端，而不是用于该触发器的时钟引脚。采用这个电路并不需要附加PLD的逻辑单元，工作却可靠多了。不同的系统需要采用不同的方法去除多级时钟，并没有固定的模式。

§6.4 行波时钟
另一种流行的时钟电路是采用行波时钟，即一个触发器的输出用作另一个触发器的时钟输入。如果仔细地设计，行波时钟可以象全局时钟一样地可靠工作。然而，行波时钟使得与电路有关的定时计算变得很复杂。行波时钟在行波链上各触发器的时钟之间产生较大的时间偏移，并且会超出最坏情况下的建立时间、保持时间和电路中时钟到输出的延时，使系统的实际速度下降。
用计数翻转型触发器构成异步计数器时常采用行波时钟，一个触发器的输出钟控下一个触发器的输入，参看图9同步计数器通常是代替异步计数器的更好方案，这是因为两者需要同样多的宏单元而同步计数器有较快的时钟到输出的时间。图10给出具有全局时钟的同步计数器，它和图9功能相同，用了同样多的逻辑单元实现，却有较快的时钟到输出的时间。几乎所有PLD开发软件都提供多种多样的同步计数器。

§6.5 多时钟系统
许多系统要求在同一个PLD内采用多时钟。最常见的例子是两个异步微处理器之间的接口，或微处理器和异步通信通道的接口。由于两个时钟信号之间要求一定的建立和保持时间，所以，上述应用引进了附加的定时约束条件。它们也会要求将某些异步信号同步化。
图11给出一个多时钟系统的实例。CLK_A用以钟控REG_A，CLK_B用于钟控REG_B，由于REG_A驱动着进入REG_B的组合逻辑，故CLK_A的上升沿相对于CLK_B的上升沿有建立时间和保持时间的要求。由于REG_B不驱动馈到REG_A的逻辑，CLK_B的上升沿相对于CLK_A没有建立时间的要求。此外，由于时钟的下降沿不影响触发器的状态，所以CLK_A和CLK_B的下降沿之间没有时间上的要求。如图4，2．II所示，电路中有两个独立的时钟，可是，在它们之间的建立时间和保持时间的要求是不能保证的。在这种情况下，必须将电路同步化。图12给出REG_A的值(如何在使用前)同CLK_B同步化。新的触发器REG_C由GLK_B触控，保证REG_G的输出符合REG_B的建立时间。然而，这个方法使输出延时了一个时钟周期。
在许多应用中只将异步信号同步化还是不够的，当系统中有两个或两个以上非同源时钟的时候，数据的建立和保持时间很难得到保证，我们将面临复杂的时间问题。最好的方法是将所有非同源时钟同步化。使用PLD内部的锁项环（PLL或DLL）是一个效果很好的方法，但不是所有PLD都带有PLL、DLL，而且带有PLL功能的芯片大多价格昂贵，所以除非有特殊要求，一般场合可以不使用带PLL的PLD。这时我们需要使用带使能端的D触发器，并引入一个高频时钟。
如图13所示，系统有两个不同源时钟，一个为3MHz，一个为5MHz，不同的触发器使用不同的时钟。为了系统稳定，我们引入一个20MHz时钟，将3M和5M时钟同步化，如图15所示。20M的高频时钟将作为系统时钟，输入到所有触发器的时钟端。3M_EN和5M_EN将控制所有触发器的使能端。即原来接3M时钟的触发器，接20M时钟，同时3M_EN 将控制该触发器使能，原接5M时钟的触发器，也接20M时钟，同时5M_EN 将控制该触发器使能。 这样我们就可以将任何非同源时钟同步化。另外，异步信号输入总是无法满足数据的建立保持时间，容易使系统进入亚稳态，所以也建议设计者把所有异步输入都先经过双触发器进行同步化，详情可参阅这篇文章：Are Your PLD Metastable?。

小结：稳定可靠的时钟是系统稳定可靠的重要条件，我们不能够将任何可能含有毛刺的输出作为时钟信号，并且尽可能只使用一个全局时钟，对多时钟系统要注意同步异步信号和非同源时钟。



§7 提高同步系统的运行速度
同步电路的速度是指同步时钟的速度。同步时钟愈快，电路处理数据的时间间隔越短，电路在单位时间处理的数据量就愈大。我们先来看一看同步电路中数据传递的一个基本模型：如下图1
（Tco是触发器时钟到数据输出的延时；Tdelay是组合逻辑的延时；Tsetup是触发器的建立时间）假设数据已经被时钟的上升沿打入D触发器，那么数据到达第一个触发器的Q端需要Tco，再经过组合逻辑的延时Tdelay到达的第二个触发器的D端，要想时钟能在第二个触发器再次被稳定的锁入触发器，则时钟的延迟不能晚于Tco+Tdelay+Tsetup，（我们可以回顾一下前面讲过的建立和保持时间的概念，就可以理解为什么公式最后要加上一个Tdelay） 由以上分析可知：最小时钟周期：T=Tco+Tdelay+Tsetup   最快时钟频率 F= 1/T PLD开发软件也正是通过这个公式来计算系统运行速度Fmax
注：在这个逻辑图中有个参数：Tpd, 即时钟的延时参数，我们在刚才做时间分析的时候，没有提这个参数，（如果使用PLD的全局时钟型号，Tpd可以为0，如果是普通时钟，则不为0）。所以如果考虑到时钟的延时，精确的公式应该是T=Tco+Tdelay+Tsetup-Tpd。当然以上全部分析的都是器件内部的运行速度，如果考虑芯片I/O管脚延时对系统速度的影响，那么还需要加一些修正。
由于Tco、Tsetup是由具体的器件和工艺决定的，我们设计电路时只可以改变Tdelay。所以缩短触发器间组合逻辑的延时是提高同步电路速度的关键。由于一般同步电路都不止一级锁存（如图3），而要使电路稳定工作，时钟周期必须满足最大延时要求，缩短最长延时路径，才可提高电路的工作频率。
如图2所示：我们可以将较大的组合逻辑分解为较小的几块，中间插入触发器，这样可以提高电路的工作频率。这也是所谓“流水线”（pipelining）技术的基本原理。
对于图3的上半部分，它时钟频率受制于第二个较大的组合逻辑的延时，通过适当的方法平均分配组合逻辑，可以避免在两个触发器之间出现过大的延时，消除速度瓶颈。
    PLD开发软件中也有一些设置，通过修改这些设置，可以提高编译后系统速度，但这种速度的提高是很有限的，我们只有理解系统速度的基本原理，认真的优化设计方案，才能从根本上提高系统的运行速度。

评论