《EDA技術(shù)入門與提高》課件-第10章

第10章設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題10.1信號(hào)毛刺的產(chǎn)生及消除10.2時(shí)鐘問(wèn)題10.3復(fù)位和清零信號(hào)

10.1信號(hào)毛刺的產(chǎn)生及消除

10.1.1信號(hào)毛刺的產(chǎn)生

信號(hào)在可編程器件內(nèi)部通過(guò)連線和邏輯單元時(shí)，會(huì)有一定的延時(shí)，延時(shí)的長(zhǎng)短與信號(hào)通道上的連線長(zhǎng)短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時(shí)還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過(guò)渡時(shí)間。由于存在這兩方面的因素，多路信號(hào)的電平值發(fā)生變化時(shí)，在信號(hào)變化的瞬間，組合邏輯的輸出狀態(tài)不確定，往往會(huì)出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)稱為“毛刺”。如果一個(gè)組合邏輯電路中有“毛刺”出現(xiàn)，就說(shuō)明該電路存在“冒險(xiǎn)”。由于信號(hào)路徑長(zhǎng)度的不同，多級(jí)組合電路、譯碼器、數(shù)值比較器以及狀態(tài)計(jì)數(shù)器等器件本身容易出現(xiàn)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，時(shí)鐘端口、清零和置位端口對(duì)毛刺信號(hào)十分敏感，這些端口出現(xiàn)的任何毛刺都可能會(huì)使系統(tǒng)出錯(cuò)，因此判斷邏輯電路中是否存在冒險(xiǎn)以及如何避免冒險(xiǎn)是設(shè)計(jì)人員必須要考慮的問(wèn)題。

如圖10.1所示的電路就是一個(gè)會(huì)出現(xiàn)冒險(xiǎn)的電路，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)原理，3位計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)“clk”進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過(guò)一個(gè)兩級(jí)與門邏輯，控制一個(gè)D觸發(fā)器的強(qiáng)制置位端，當(dāng)信號(hào)“q0”、“q1”、“q2”均為“1”時(shí)，輸出端“out”輸出為“1”，其余時(shí)刻輸出端“out”輸出為“0”。

圖10.1存在“冒險(xiǎn)”的組合邏輯電路的期望時(shí)序如圖10.2所示。圖10.2電路的期望時(shí)序?qū)嶋H上，按照如圖10.1所示的電路，使用QuartusⅡ進(jìn)行時(shí)序仿真后，獲得的實(shí)際時(shí)序仿真波形如圖10.3所示。圖10.3實(shí)際時(shí)序仿真波形當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值由“4”變?yōu)椤?”時(shí)，“out”信號(hào)產(chǎn)生了意外的脈沖輸出，顯然此時(shí)序無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)信號(hào)線“PROBE1”的時(shí)序進(jìn)行分析，獲得如圖10.4所示的時(shí)序波形。圖10.4“PROBE1”的時(shí)序波形當(dāng)信號(hào)“q[2..0]”的值由“3”變?yōu)椤?”以及由“5”變?yōu)椤?”時(shí)，在信號(hào)“PROBE1”上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)毛刺，從而導(dǎo)致了輸出信號(hào)“out”的異常脈沖輸出，顯然毛刺是由信號(hào)“q[2..0]”與“PROBE1”間的如圖10.5所示的組合邏輯電路產(chǎn)生的。圖10.5產(chǎn)生毛刺的組合邏輯電路查看編譯報(bào)告中的“ClassicTimingAnalyzer”模塊，分析如圖10.5所示的組合邏輯部分的延時(shí)，獲得如圖10.6所示的延時(shí)矩陣。圖10.6獲得的延時(shí)矩陣信號(hào)q[2..0]由“000”變到“111”的過(guò)程如表10.1所示。當(dāng)信號(hào)q[2..0]由“011”變?yōu)椤?00”和由“101”變?yōu)椤?10”時(shí)，由于器件延時(shí)的不同，會(huì)出現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)信號(hào)“q2”、“q1”和“q0”同時(shí)為“1”的情況。

表10.1信號(hào)q[2..0]的狀態(tài)變化表q2q1q000000101001110010111011110.1.2信號(hào)毛刺的解決方法

常用的消除信號(hào)毛刺的方法有兩種：一是通過(guò)對(duì)后續(xù)電路的改進(jìn)，避免毛刺對(duì)后續(xù)電路的影響；二是在計(jì)數(shù)過(guò)程和組合邏輯中就避免毛刺的產(chǎn)生。

采用第一種方法，使用如圖10.7所示的同步電路設(shè)計(jì)，在信號(hào)“PROBE1”與觸發(fā)器“PRN”端之間添加一個(gè)新的D觸發(fā)器，由“clk”信號(hào)下降沿控制觸發(fā)，保證在觸發(fā)的時(shí)刻組合邏輯輸出的信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定，同時(shí)該觸發(fā)器輸出信號(hào)Q通過(guò)一個(gè)延遲門與“PRN”端組成正反饋回路，保證足夠的脈寬。圖10.7添加D觸發(fā)器的電路圖10.8改進(jìn)后的電路的仿真時(shí)序改進(jìn)后的電路的仿真時(shí)序如圖10.8所示。在如圖10.8所示的時(shí)序過(guò)程中，電路毛刺并沒(méi)有被消除，只是通過(guò)添加觸發(fā)器將毛刺對(duì)后續(xù)電路的影響消除了。

這種方法也存在不足，即增加了輸出信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)之間的延時(shí)；另外，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率很高時(shí)，毛刺在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿時(shí)刻可能還沒(méi)有消失，仍然會(huì)影響后續(xù)電路。

另一種能完全避免毛刺產(chǎn)生的方法就是使用格雷碼計(jì)數(shù)器，在每次計(jì)數(shù)狀態(tài)變化過(guò)程中只有一位信號(hào)發(fā)生變化，如表10.2所示，這樣就避免了毛刺產(chǎn)生的可能。表10.2信號(hào)q[2..0]的狀態(tài)變化表qcqbqa101100000001011010110111圖10.9采用格雷碼計(jì)數(shù)器后的電路采用格雷碼計(jì)數(shù)器后的電路如圖10.9所示。圖10.9中的“modcount”是一個(gè)自定義的3位格雷碼計(jì)數(shù)器模塊，其描述如下：

LIBRARYIEEE；

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

ENTITYmodcountIS

PORT(clk：INSTD_LOGIC；

reset：INSTD_LOGIC；

q：OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0)

)；

ENDENTITYmodcount；

ARCHITECTUREbehavOFmodcountIS

SIGNALrr：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0)； --狀態(tài)變量

?CONSTANTst0：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="101"； --狀態(tài)常數(shù)設(shè)置

CONSTANTst1：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="100"；

CONSTANTst2：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="000"；

CONSTANTst3：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="001"；

CONSTANTst4：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="011"；

CONSTANTst5：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="010"；

CONSTANTst6：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="110"；

CONSTANTst7：STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0):="111"；

BEGIN

PROCESS(clk)

BEGIN

IF(clk'eventANDclk='1')THEN

CASErrIS

WHENst0=>rr<=st1；

WHENst1=>rr<=st2；

WHENst2=>rr<=st3；

WHENst3=>rr<=st4；

WHENst4=>rr<=st5；

WHENst5=>rr<=st6；

WHENst6=>rr<=st7；

WHENst7=>rr<=st0；

ENDCASE；

q<=rr；

ENDPROCESS；

ENDbehav；

使用格雷碼計(jì)數(shù)器后，系統(tǒng)仿真時(shí)序如圖10.10所示。圖10.10使用格雷碼計(jì)數(shù)器后的仿真時(shí)序在如圖10.10所示的系統(tǒng)時(shí)序中，由于使用了格雷碼計(jì)數(shù)器，每次只改變一位輸出值的狀態(tài)，因此從根本上消除了毛刺的產(chǎn)生，系統(tǒng)更為穩(wěn)定。

在數(shù)字電路中，采用格雷碼計(jì)數(shù)器、同步電路等可以大大減少毛刺，但它并不能完全消除所有的毛刺。毛刺并不是對(duì)所有的輸入都有危害。例如D觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時(shí)鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間，一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，需要綜合考慮毛刺的影響，在保證電路穩(wěn)定的情況下，盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。10.2時(shí)鐘問(wèn)題

在時(shí)序電路的設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)常常用來(lái)對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行同步采樣，以實(shí)現(xiàn)電路的同步，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在極限溫度、電壓或制造工藝存在偏差的情況下，設(shè)計(jì)不良的時(shí)鐘將導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤的行為，因此穩(wěn)定的時(shí)鐘設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。在FPGA設(shè)計(jì)時(shí)通常采用全局時(shí)鐘、門控時(shí)鐘、多級(jí)邏輯時(shí)鐘和波動(dòng)式時(shí)鐘這4種時(shí)鐘類型。多時(shí)鐘系統(tǒng)是這4種時(shí)鐘類型的任意組合。10.2.1信號(hào)的建立和保持時(shí)間

在設(shè)計(jì)時(shí)鐘前，設(shè)計(jì)者需要考慮的第一件事就是信號(hào)的建立和保持時(shí)間。所謂信號(hào)的“建立時(shí)間”，是指在時(shí)鐘的上升沿或下降沿之前數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定(無(wú)跳變)的時(shí)間?！氨３謺r(shí)間”是指在時(shí)鐘跳變后數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的時(shí)間。建立時(shí)間與保持時(shí)間的關(guān)系如圖10.11所示。為了保證在時(shí)鐘信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)采集數(shù)據(jù)的正確性，一般在數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生時(shí)間的中間段進(jìn)行采集，這就要求有足夠的信號(hào)建立和保持時(shí)間，所有采用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入的同步數(shù)字電路都要求提供這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)。圖10.11建立時(shí)間與保持時(shí)間的關(guān)系要求數(shù)據(jù)穩(wěn)定接收就必須滿足建立和保持時(shí)間的要求，否則在時(shí)鐘上升沿或下降沿讀取的數(shù)據(jù)就可能有錯(cuò)誤，從而使電路變得不穩(wěn)定。在FPGA設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量避免在數(shù)據(jù)建立時(shí)間內(nèi)或其附近讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于級(jí)聯(lián)的功能模塊或者數(shù)字邏輯器件，后一模塊或器件的工作時(shí)鐘一般取前一模塊或器件工作時(shí)鐘的反相信號(hào)，這樣就可以保證時(shí)鐘的邊沿位于數(shù)據(jù)的保持時(shí)間內(nèi)。10.2.2全局時(shí)鐘

在一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中，如果每一個(gè)順序邏輯單元(SequentialLogicElement)都是用同一個(gè)參考時(shí)鐘脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則可稱該系統(tǒng)為同步系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)同步系統(tǒng)的參考時(shí)鐘就是全局時(shí)鐘。全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的同步系統(tǒng)可以小到一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯芯片，大到一個(gè)多插槽式模組，其包含的順序邏輯單元可以是寄存器(Register)、先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器、同步內(nèi)存(Memory)等。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，全局時(shí)鐘是最簡(jiǎn)單和最可預(yù)測(cè)的時(shí)鐘。在FPGA設(shè)計(jì)中，最好的時(shí)鐘方案是：由專用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)單個(gè)主時(shí)鐘去控制設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。FPGA芯片一般都具有專用的全局時(shí)鐘引腳，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)盡量采用全局時(shí)鐘，它能夠提供器件中最短的時(shí)鐘到輸出的延時(shí)。

圖10.12所示的是全局時(shí)鐘的一個(gè)典型實(shí)例。

圖10.12中的全局時(shí)鐘控制三級(jí)組合電路的運(yùn)行，每次得到的結(jié)果被全局時(shí)鐘控制的D觸發(fā)器鎖存，使運(yùn)行過(guò)程與全局時(shí)鐘同步。圖10.12全局時(shí)鐘實(shí)例10.2.3門控時(shí)鐘

在許多應(yīng)用中，整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目都采用外部的全局時(shí)鐘是不可能的，所以通常用陣列時(shí)鐘構(gòu)成門控時(shí)鐘。門控時(shí)鐘常常同微處理器接口有關(guān)，例如用地址線去控制寫脈沖。每當(dāng)用組合邏輯來(lái)控制觸發(fā)器時(shí)，通常都存在著門控時(shí)鐘。在使用門控時(shí)鐘時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析時(shí)鐘函數(shù)，以避免毛刺的影響。如果設(shè)計(jì)滿足下述兩個(gè)條件，則可以保證時(shí)鐘信號(hào)不出現(xiàn)危險(xiǎn)的毛刺，門控時(shí)鐘就可以像全局時(shí)鐘一樣可靠工作：

(1)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的邏輯中只允許包含一個(gè)“與門”或一個(gè)“或門”，如果采用其他的附加邏輯，就會(huì)在某些工作狀態(tài)下出現(xiàn)由于邏輯競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的毛刺。

(2)邏輯門的一個(gè)輸入作為實(shí)際的時(shí)鐘，而該邏輯門的所有其他輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對(duì)于時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間的約束。

圖10.13所示為一個(gè)使用與門的門控時(shí)鐘電路。

將門控時(shí)鐘與全局時(shí)鐘同步能改善設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性。使用帶有使能端的D觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)門控時(shí)鐘與全局時(shí)鐘的同步。帶有使能端的D觸發(fā)器的符號(hào)如圖10.14所示。

圖10.13使用與門的門控時(shí)鐘電路圖10.14帶有使能端的D觸發(fā)器的符號(hào)使用時(shí)，將門控時(shí)鐘接D觸發(fā)器的使能端，全局時(shí)鐘接D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端，這樣就能保持門控時(shí)鐘與全局時(shí)鐘的同步。

當(dāng)產(chǎn)生門控時(shí)鐘的組合邏輯超過(guò)一級(jí)，即超過(guò)單個(gè)的“與門”或“或門”時(shí)，該設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性將變得很差。在這種情況下，即使樣機(jī)或仿真結(jié)果沒(méi)有顯示出靜態(tài)險(xiǎn)象，但實(shí)際上仍然可能存在危險(xiǎn)，所以我們不應(yīng)該用多級(jí)組合邏輯去作為觸發(fā)器的時(shí)鐘端。多級(jí)邏輯的險(xiǎn)象可以通過(guò)插入“冗余邏輯”到設(shè)計(jì)項(xiàng)目中去除，但是FPGA編譯器在邏輯綜合時(shí)會(huì)去掉這些冗余邏輯，這就使得驗(yàn)證險(xiǎn)象是否真正被去除變得十分困難。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋求其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的功能，盡量避免使用多級(jí)門控時(shí)鐘。10.2.4多時(shí)鐘系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)中常常會(huì)碰到多時(shí)鐘系統(tǒng)，即在一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，例如異步通信接口或者兩個(gè)不同時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的微處理器之間的接口。由于兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間要求一定的建立和保持時(shí)間，因此上述應(yīng)用引進(jìn)了附加的定時(shí)約束條件，要求接口系統(tǒng)將某些異步信號(hào)同步化。如圖10.15所示即為一個(gè)雙時(shí)鐘系統(tǒng)的實(shí)例。該系統(tǒng)有兩路彼此獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)：clk_a信號(hào)為3MHz，用于驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器A；clk_b信號(hào)為6MHz，用于驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器B。兩個(gè)觸發(fā)器的輸出信號(hào)要進(jìn)行邏輯與操作，這樣就要求兩路觸發(fā)器輸出的信號(hào)能夠同步，以保證兩信號(hào)在進(jìn)行與操作之前均處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免出現(xiàn)不可預(yù)料的毛刺。由于clk_a和clk_b是相互獨(dú)立的，分別由這兩路時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的data_a和data_b信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求不能得到穩(wěn)定的保證，因此必須添加如圖10.16所示的同步電路來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的同步化。圖10.15雙時(shí)鐘系統(tǒng)圖10.16添加同步電路后的雙時(shí)鐘系統(tǒng)圖10.16所示的電路是在圖10.15的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)新的觸發(fā)器，它由clk_b控制，從而保證了經(jīng)過(guò)觸發(fā)器處理后的data_a信號(hào)符合data_b信號(hào)的建立時(shí)間要求。

以上的例子中，兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率之間是整數(shù)倍關(guān)系，即clk_b的頻率是clk_a頻率的兩倍，兩者之間可