FPGA中毛刺的討論和可靠性有關的幾個概念詳細說明

　　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，數據穩(wěn)定不變的時間，如果建立時間不夠，數據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，數據穩(wěn)定不變的時間， 如果保持時間不夠，數據同樣不能被打入觸發(fā)器。 如圖1 。 數據穩(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輸入的建立和保持時間（如圖2）

　　競爭和冒險

　　幾乎所有關于數字電路的教材，都會提到數字電路中的競爭和冒險問題，但是這個問題往往被我們忽略。我們可以先來回顧一下關于競爭和冒險的一些基本概念。

　　PLD內部毛刺產生的原因

　　我們在使用分立元件設計數字系統(tǒng)時，由于PCB走線時，存在分布電感和電容，所以幾納秒的毛刺將被自然濾除，而在PLD內部決無分布電感和電容，所以在PLD/FPGA設計中，競爭和冒險問題將變的較為突出。

　　FPGA中的冒險現象

　　信號在FPGA器件內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目有關，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，就說明該電路存在“冒險”。（與分立元件不同，由于PLD內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，因此毛刺現象在PLD、FPGA設計中尤為突出）

　　圖6.21給出了一個邏輯冒險的例子，從圖6.22的仿真波形可以看出，“A、B、C、D”四個輸入信號經過布線延時以后，高低電平變換不是同時發(fā)生的，這導致輸出信號“OUT”出現了毛刺。（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，但經過PLD內部的走線，到達或門的時間也是不一樣的，毛刺必然產生）。可以概括的講，只要輸入信號同時變化，（經過內部走線）組合邏輯必將產生毛刺。 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計方法是錯誤的，這可能會導致嚴重的后果。 所以我們必須檢查設計中所有時鐘、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