詳解FPGA中建立時(shí)間與保持時(shí)間

經(jīng)典面試題：建立時(shí)間與保持時(shí)間

我曾背過這個(gè)答案N多遍，但是依然沒有理解。

直到...

一、同步電路設(shè)計(jì)

同步電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時(shí)鐘信號(hào)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)。

但是伴隨著集成電路的微縮化和大規(guī)?；绞诫娐返囊恍﹩栴}也顯現(xiàn)出來。有研究提出了基于異步電路實(shí)現(xiàn)FPGA的思路。這個(gè)后面再談。

二、觸發(fā)器

觸發(fā)器(Flip Flip，F(xiàn)F)是一種只能存儲(chǔ)1個(gè)二進(jìn)制位(bit)的存儲(chǔ)單元，可以用作時(shí)序邏輯電路的記憶元件。FPGA邏輯單元的D觸發(fā)器(DFF)就是一種在時(shí)鐘的上升沿將輸入信號(hào)的變化傳送至輸出的邊沿D觸發(fā)器。DFF的符號(hào)和真值表如下圖所示：

2.1 D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)

CMOS傳輸門構(gòu)成的D邊沿觸發(fā)器電路如下圖所示：

CMOS工藝下的D-FF結(jié)構(gòu)如下圖所示：

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)，再有前后兩級(jí)鎖存器按主從結(jié)構(gòu)連接而成。這里的傳輸門起開關(guān)作用，隨著CLK的狀態(tài)切換開關(guān)。只看輸出的話，前級(jí)鎖存器的值會(huì)隨著時(shí)鐘輸入的變化井然有序的傳入后級(jí)鎖存器。為了防止時(shí)鐘信號(hào)變化時(shí)輸入信號(hào)發(fā)生冒險(xiǎn)，從而使輸入數(shù)據(jù)穩(wěn)定的進(jìn)入前級(jí)鎖存器，前級(jí)鎖存器的時(shí)鐘相位應(yīng)與輸入數(shù)據(jù)的電路時(shí)鐘相位相反。

2.2 D觸發(fā)器工作原理

D-FF的工作原理，如下圖所示：

當(dāng)CLK=0時(shí)(主鎖存器工作)，位于前級(jí)的主鎖存器將輸入D的值保存進(jìn)來，后級(jí)的從鎖存器將維持上一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)。由于此時(shí)前級(jí)與后級(jí)的反相器環(huán)路之間的傳輸門是關(guān)閉狀態(tài)，所以前級(jí)的信號(hào)不會(huì)傳到后級(jí)。

當(dāng)CLK=1時(shí)(從鎖存器工作)，前級(jí)主鎖存器的值將會(huì)傳到后級(jí)，同時(shí)輸入D的信號(hào)將會(huì)被隔離在外。此時(shí)如果前級(jí)反相器環(huán)路中的信號(hào)沒有循環(huán)一圈以上，就會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的在0和1之間搖擺的中間電位，這就是所謂的亞穩(wěn)態(tài)。

三、建立時(shí)間和保持時(shí)間

由于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間比延遲時(shí)間長(zhǎng)，在該階段讀取數(shù)據(jù)可能會(huì)引起錯(cuò)誤，所以我們引入建立時(shí)間(setup time)來約束在時(shí)鐘上升沿到來之前輸入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)閉之前就發(fā)生變化，那么本該在下一周期讀取的數(shù)據(jù)就會(huì)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。

審核編輯：湯梓紅