数字电路中的几个基本概念--FPGA开发与学习连载5

建立时间和保持时间
建立时间(setuptime)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。

在设计中,当然希望建立时间越短越好,而保持时间呢,也越短越好。也就是说,最好信号在时钟边沿到达,而在到达后,马上被采用,这样,理论上效率是最好的。当然了,理论而已。

竞争和冒险

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。这一点用模拟电路的观点很容易理解,例如在一个延迟链条上,加两个电容,就把这个毛刺给滤掉。

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)我们无法保证所有连线的长度一致,所以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.

如何处理毛刺

(1)使用同步电路,D触发器: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)

(2)对信号进行采用得方法,即使用另一个使能信号: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。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。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。但这会有一个时钟周期的延迟。

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。

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

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。

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。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。