大唐電信FPGA/CPLD數(shù)字電路設(shè)計經(jīng)驗分享（1） - 全文

在數(shù)字電路的設(shè)計中，時序設(shè)計是一個系統(tǒng)性能的主要標志，在高層次設(shè)計方法中，對時序控制的抽象度也相應(yīng)提高，因此在設(shè)計中較難把握，但在理解RTL電路時序模型的基礎(chǔ)上，采用合理的設(shè)計方法在設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)是行之有效的，通過許多設(shè)計實例證明采用這種方式可以使電路的后仿真通過率大大提高，并且系統(tǒng)的工作頻率可以達到一個較高水平。

1 數(shù)字電路設(shè)計中的幾個基本概念：

1.1 建立時間和保持時間：

建立時間（setup time）是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果建立時間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被打入觸發(fā)器；保持時間（hold time）是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間， 如果保持時間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。如圖1 。數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸必須滿足建立和保持時間的要求，當然在一些情況下，建立時間和保持時間的值可以為零。 PLD/FPGA開發(fā)軟件可以自動計算兩個相關(guān)輸入的建立和保持時間（如圖2）

圖1 建立時間和保持時間關(guān)系圖

注：在考慮建立保持時間時，應(yīng)該考慮時鐘樹向后偏斜的情況，在考慮建立時間時應(yīng)該考慮時鐘樹向前偏斜的情況。在進行后仿真時，最大延遲用來檢查建立時間，最小延時用來檢查保持時間。

建立時間的約束和時鐘周期有關(guān)，當系統(tǒng)在高頻時鐘下無法工作時，降低時鐘頻率就可以使系統(tǒng)完成工作。保持時間是一個和時鐘周期無關(guān)的參數(shù)，如果設(shè)計不合理，使得布局布線工具無法布出高質(zhì)量的時鐘樹，那么無論如何調(diào)整時鐘頻率也無法達到要求，只有對所設(shè)計系統(tǒng)作較大改動才有可能正常工作，導(dǎo)致設(shè)計效率大大降低。因此合理的設(shè)計系統(tǒng)的時序是提高設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵。在可編程器件中，時鐘樹的偏斜幾乎可以不考慮，因此保持時間通常都是滿足的。

1.2 FPGA中的競爭和冒險現(xiàn)象

信號在FPGA器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時，都有一定的延時。延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時間。由于存在這兩方面因素，多路信號的電平值發(fā)生變化時，在信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，并不是同時變化,往往會出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號稱為"毛刺"。如果一個組合邏輯電路中有"毛刺"出現(xiàn)，就說明該電路存在"冒險"。（與分立元件不同，由于PLD內(nèi)部不存在寄生電容電感，這些毛刺將被完整的保留并向下一級傳遞，因此毛刺現(xiàn)象在PLD、FPGA設(shè)計中尤為突出）圖2是一個邏輯冒險的例子，從圖3的仿真波形可以看出，"A、B、C、D"四個輸入信號經(jīng)過布線延時以后，高低電平變換不是同時發(fā)生的，這導(dǎo)致輸出信號"OUT"出現(xiàn)了毛刺。（我們無法保證所有連線的長度一致，所以即使四個輸入信號在輸入端同時變化，但經(jīng)過PLD內(nèi)部的走線，到達或門的時間也是不一樣的，毛刺必然產(chǎn)生）?？梢愿爬ǖ闹v，只要輸入信號同時變化，（經(jīng)過內(nèi)部走線）組合邏輯必將產(chǎn)生毛刺。 將它們的輸出直接連接到時鐘輸入端、清零或置位端口的設(shè)計方法是錯誤的，這可能會導(dǎo)致嚴重的后果。 所以我們必須檢查設(shè)計中所有時鐘、清零和置位等對毛刺敏感的輸入端口，確保輸入不會含有任何毛刺。

圖2 存在邏輯冒險的電路示例

?

圖3 所示電路的仿真波形

冒險往往會影響到邏輯電路的穩(wěn)定性。時鐘端口、清零和置位端口對毛刺信號十分敏感，任何一點毛刺都可能會使系統(tǒng)出錯，因此判斷邏輯電路中是否存在冒險以及如何避免冒險是設(shè)計人員必須要考慮的問題。

如何處理毛刺

我們可以通過改變設(shè)計，破壞毛刺產(chǎn)生的條件，來減少毛刺的發(fā)生。例如，在數(shù)字電路設(shè)計中，常常采用格雷碼計數(shù)器取代普通的二進制計數(shù)器，這是因為格雷碼計數(shù)器的輸出每次只有一位跳變，消除了競爭冒險的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。

毛刺并不是對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)在時鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害，我們可以說D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺不敏感。 根據(jù)這個特性，我們應(yīng)當在系統(tǒng)中盡可能采用同步電路，這是因為同步電路信號的變化都發(fā)生在時鐘沿，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的沿口并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害。 （由于毛刺很短，多為幾納秒，基本上都不可能滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間）。

去除毛刺的一種常見的方法是利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺信號不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號，這種方法類似于將異步電路轉(zhuǎn)化為同步電路。 圖4給出了這種方法的示范電路，圖5是仿真波形。

圖4 消除毛刺信號方法之二

圖5 所示電路的仿真波形

如前所述，優(yōu)秀的設(shè)計方案，如采用格雷碼計數(shù)器，同步電路等，可以大大減少毛刺，但它并不能完全消除毛刺。毛刺并不是對所有輸入都有危害，例如D觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害。因此我們可以說D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺不敏感。但對于D觸發(fā)器的時鐘端，置位端，清零端，則都是對毛刺敏感的輸入端，任何一點毛刺就會使系統(tǒng)出錯，但只要認真處理，我們可以把危害降到最低直至消除。下面我們就對幾種具體的信號進行探討。

1.3 清除和置位信號

在FPGA的設(shè)計中，全局的清零和置位信號必須經(jīng)過全局的清零和置位管腳輸入，因為他們也屬于全局的資源，其扇出能力大，而且在FPGA內(nèi)部是直接連接到所有的觸發(fā)器的置位和清零端的，這樣的做法會使芯片的工作可靠、性能穩(wěn)定，而使用普通的IO腳則不能保證該性能。

在FPGA的設(shè)計中，除了從外部管腳引入的全局清除和置位信號外在FPGA內(nèi)部邏輯的處理中也經(jīng)常需要產(chǎn)生一些內(nèi)部的清除或置位信號。清除和置位信號要求象對待時鐘那樣小心地考慮它們，因為這些信號對毛刺也是非常敏感的。
在同步電路設(shè)計中，有時候可以用同步置位的辦法來替代異步清0。在用硬件描述語言的設(shè)計中可以用如下的方式來描述：

異步清0的描述方法：

process(rst,clk)
begin
if rst=’1’ then
count<=(others=>’0’);
elsif clk’event and clk=’1’ then
count<=count+1;
end if;
end process;
同步清0的描述方法：
process
begin
wait until clk’event and clk=’1’;
if rst=’1’ then
count<=(others=>’0’);
else
count<=count+1;
end if;
end process;

圖6 異步清0、置位邏輯圖

圖7 同步清0、置位關(guān)系圖

1.4 觸發(fā)器和所存器：

我們知道，觸發(fā)器是在時鐘的沿進行數(shù)據(jù)的鎖存的，而所存器是用電平使能來鎖存數(shù)據(jù)的。所以觸發(fā)器的Q輸出端在每一個時鐘沿都會被更新，而所存器只能在使能電平有效器件才會被更新。在FPGA設(shè)計中建議如果不是必須那么應(yīng)該盡量使用觸發(fā)器而不是所存器。

那么在使用硬件描述語言進行電路設(shè)計的時候如何區(qū)分觸發(fā)器和所存器的描述方法哪？其實有不少人在使用的過程中可能并沒有特意區(qū)分過，所以也忽略了二者在描述方法上的區(qū)別。下面是用VHDL語言描述的觸發(fā)器和所存器以及綜合器產(chǎn)生的電路邏輯圖。

觸發(fā)器的語言描述：

process
begin
wait until clk’event and clk=’1’;
q<=d;
end process;

觸發(fā)器

所存器的語言描述：
process(en,d)
begin
if en=’1’ then
q<=d;
end if;
end process;

所存器

由上述對Latch的描述可見，其很容易于選擇器的描述相混淆，用VHDL語言對選擇器的描述方法如下：
process(en,a,b)
begin
if en=’1’ then
q<=a;
else
q<=b;
end if;
end process;
（未完待續(xù)）