同步電路設(shè)計(jì)：將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時(shí)鐘信號同步

同步電路設(shè)計(jì)將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時(shí)鐘信號同步，并通過這種理想化的方式降低電路設(shè)計(jì)難度。同步電路設(shè)計(jì)是 FPGA 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

01

觸發(fā)器

觸發(fā)器（Flip Flop，F(xiàn)F）是一種只能存儲1個(gè)二進(jìn)制位（bit，比特）的存儲單元，并且具備記憶功能，可以用作時(shí)序邏輯電路的記憶元件。FPGA邏輯單元內(nèi)的D觸發(fā)器（D-FF）具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即"0"和"1"，在一定的外界信號作用下，可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，就是一種在時(shí)鐘的上升沿（或下降沿）將輸入信號的變化傳送至輸出的邊沿觸發(fā)器。D-FF的符號和真值表如圖1所示。D-FF在CLK信號（時(shí)鐘）的上升沿將輸入值傳送至輸出Q。

圖 1 D 觸發(fā)器

02

建立時(shí)間和保持時(shí)間

時(shí)鐘是整個(gè)電路最重要、最特殊的信號，系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動作都是在時(shí)鐘的跳變沿上進(jìn)行,這就要求時(shí)鐘信號時(shí)延差要非常小, 否則就可能造成時(shí)序邏輯狀態(tài)出錯(cuò)；因而明確FPGA設(shè)計(jì)中決定系統(tǒng)時(shí)鐘的因素，盡量較小時(shí)鐘的延時(shí)對保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性有非常重要的意義。

建立時(shí)間（Tsu：set up time）是指在時(shí)鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時(shí)間，如果建立的時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；

保持時(shí)間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時(shí)間，如果保持時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。

CMOS 工藝下的D-FF結(jié)構(gòu)如圖2所示，先由傳輸門和兩個(gè)反相器組成一個(gè)循環(huán)電路（鎖存器），再由前后兩級鎖存器按主從結(jié)構(gòu)連接而成。這里的傳輸門起開關(guān)的作用，隨著CLK的狀態(tài)變化切換開關(guān)。只看輸出的話，前級鎖存器的值會將時(shí)鐘輸入的變化井然有序地傳入后級鎖存器。為了防止時(shí)鐘信號變化時(shí)輸入信號發(fā)生冒險(xiǎn)，從而使穩(wěn)定的輸入信號進(jìn)入前級鎖存器，前級鎖存器的時(shí)鐘相位應(yīng)該與產(chǎn)生輸入信號的電路時(shí)鐘反向。圖3 為 D-FF 的原理圖。

圖 2D-FF 的電路結(jié)構(gòu)

圖 3D-FF 的原理

當(dāng)CLK=0主鎖存器工作）時(shí)，位于前級的主鎖存器將輸入D的值保存進(jìn)來，后級的從鎖存器則維持上一時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)。由于此時(shí)前級和后級反相器環(huán)路之間的傳輸門是關(guān)閉狀態(tài)，所以前級的信號不會傳送到后級。當(dāng)CLK=1（從鎖存器工作）時(shí)，前級反相器環(huán)路中保存的數(shù)據(jù)會傳輸?shù)胶蠹?，同時(shí)輸入D的信號會被隔離在外。此時(shí)如果前級反相器環(huán)路中的信號沒有循環(huán)一圈以上，就會出現(xiàn)如圖4所示的在 0 和 1 之間搖擺的中間電位，這就是所謂的亞穩(wěn)態(tài)（metastable）。由于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間比延遲時(shí)間長，在該階段讀取數(shù)據(jù)可能會引入錯(cuò)誤，所以我們引入建立時(shí)間（setup time）來約束在時(shí)鐘上升沿到來前輸入 D 保持穩(wěn)定 的時(shí)間。

當(dāng) CLK=1 時(shí)，如果輸入 D 在傳輸門關(guān)閉前就發(fā)生變化，那么本該 在下一周期讀取的數(shù)據(jù)就會提前進(jìn)入鎖存器，從而引起反相器環(huán)路振蕩 或產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。因此在 CLK=1 之后也需要輸入 D 維持一定的時(shí)間，我 們稱之為保持時(shí)間（hold time）約束。

為了正確地從輸入讀取數(shù)據(jù)，并正確地將數(shù)據(jù)輸出，F(xiàn)PGA 內(nèi)所有 的 FF 都要遵守建立時(shí)間和保持時(shí)間等時(shí)序上的約束。

圖4建立時(shí)間和保持時(shí)間

03

時(shí)序分析

從硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）編寫的RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）設(shè)計(jì)代碼生成網(wǎng)表（邏輯門間的配線信息）的過程稱為邏輯綜合。最終決定邏輯綜合所生成的電路網(wǎng)表在FPGA中以何種方式實(shí)現(xiàn)的兩道工序稱為布局和布線。FPGA內(nèi)部規(guī)則地?cái)[放著大量設(shè)計(jì)好的電路及電路間配線，用以實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)計(jì)。所謂 FPGA 的設(shè)計(jì)流程，就是決定專為FPGA綜合生成的電路擺放在哪兒、電路之間以什么樣的布線路徑相連的過程。

為了保證設(shè)計(jì)好的電路能夠正常工作，不單要保證功能（邏輯）正確，還必須要確保時(shí)序正確。而時(shí)序分析是以分析時(shí)間序列的發(fā)展過程、方向和趨勢，預(yù)測將來時(shí)域可能達(dá)到的目標(biāo)的方法。此方法運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)中時(shí)間序列分析原理和技術(shù)，利用時(shí)序系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相關(guān)性，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，描述系統(tǒng)的時(shí)序狀態(tài)，以預(yù)測未來。在 FPGA 的設(shè)計(jì)流程中，從邏輯綜合到布局布線，每一步都會對生成的電路進(jìn)行評估分析。由于基于仿真的方式分析每個(gè)邏輯值并進(jìn)行動態(tài)時(shí)序分析的方法過于耗時(shí)，所以 FPGA 的性能評估主要采用靜態(tài)時(shí)序分析（Static Timing Analysis，STA）。STA只需要提供電路網(wǎng)表就可以進(jìn)行全面的評估驗(yàn)證，并且原理上只需遍歷一次電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此也具有分析速度快的優(yōu)點(diǎn)。最近，隨著電路規(guī)模不斷增大，不僅FPGA其他 EDA 工具也采用 STA 的方式來驗(yàn)證電路是否能夠按照要求的速度正確工作。時(shí)序分析包含對設(shè)計(jì)電路的建立時(shí)間分析和保持時(shí)間分析，并能夠以此進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證。時(shí)序驗(yàn)證主要是評估 FPGA 上設(shè)計(jì)電路的延遲是否滿足時(shí)序約束（時(shí)序上的設(shè)計(jì)需求）。布線的延遲取決于 FPGA 設(shè)計(jì)電路的擺放位置和所使用的布線，也就是說取決于布局布線工具的編譯結(jié)果。當(dāng) FPGA 的性能和邏輯門資源富余時(shí)編譯過程較為容易；相反，當(dāng)設(shè)計(jì)電路的規(guī)模和 FPGA 片上資源相當(dāng)時(shí)，布局布線過程所需時(shí)間可能會很長。時(shí)序分析必須檢查所有路徑上邏輯延遲和布線延遲的時(shí)序余裕，確保它們滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間的時(shí)序約束。

04

單相時(shí)鐘同步電路

布局布線上具有一定自由度的 FPGA 都以同步電路設(shè)計(jì)方式為主， 而同步電路可以使用STA進(jìn)行時(shí)序分析和驗(yàn)證。STA具有驗(yàn)證速度高的優(yōu)點(diǎn)，但對電路結(jié)構(gòu)有一定的要求：延遲分析的起點(diǎn)和終點(diǎn)必須是基于同一時(shí)鐘的FF，從而可以通過累加起點(diǎn)和終點(diǎn)間的延遲來計(jì)算、驗(yàn)證每條路徑的總延遲。因?yàn)楦鳁l路徑上的布線長度長短不一，所以信號的延遲會不同，輸出數(shù)據(jù)變化的時(shí)間點(diǎn)也會有所差別。因此如圖5所示，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)中的輸入信號會先被送到FF，輸出信號則必須從FF引出，并且所有FF都由同相的時(shí)鐘驅(qū)動。這種設(shè)計(jì)屬于由同一時(shí)鐘的同一邊沿同步動作的電路類型，而反相時(shí)鐘（相位反轉(zhuǎn)的時(shí)鐘或反方向的邊沿）不屬于此類?；旧?，采用單一時(shí)鐘進(jìn)行同步是較為理想的選擇。

同步設(shè)計(jì)的一個(gè)前提是所有FF都必須同時(shí)接收到時(shí)鐘信號，而現(xiàn)實(shí)中時(shí)鐘信號的布線非常長，時(shí)鐘信號驅(qū)動的負(fù)荷（扇出數(shù)）、布線延遲等原因會導(dǎo)致出現(xiàn)時(shí)間差，因此很難嚴(yán)格地滿足上述條件。這種時(shí)鐘信號到達(dá)時(shí)間的錯(cuò)位稱為時(shí)鐘偏移（skew）。另外，由于時(shí)鐘振蕩器的 變動或信號變形，時(shí)鐘邊沿會偏離平均位置，這種情況稱為時(shí)鐘抖動（jitter）。為了保證所有 FF 的輸入時(shí)鐘信號同步，需要將時(shí)鐘偏移和時(shí) 鐘抖動控制在一定范圍之內(nèi)。

圖5 單相時(shí)鐘同步電路

時(shí)鐘偏移和邏輯門電路的延遲一樣，會對時(shí)鐘周期的設(shè)定產(chǎn)生影響。因此時(shí)鐘設(shè)計(jì)是集成電路時(shí)序設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。而 FPGA 上已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)好了多層時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)，并且通過驅(qū)動能力強(qiáng)的專用布線（global buffer）將時(shí)鐘低偏移地連接到整個(gè)芯片的FF 上，因此在時(shí)鐘設(shè)計(jì)上要 比 ASIC 容易很多。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：理解FPGA的基礎(chǔ)知識——同步電路設(shè)計(jì)

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