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基于FPGA的時(shí)鐘設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-09-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

3 多級(jí)邏輯
當(dāng)產(chǎn)生門控的組合邏輯超過一級(jí)(即超過單個(gè)的“與”門或“或”門)時(shí),驗(yàn)證項(xiàng)目的可靠性變得很困難。即使樣機(jī)或仿真結(jié)果沒有顯示出靜態(tài)險(xiǎn)象,但實(shí)際上仍然可能存在著危險(xiǎn)。通常,不應(yīng)該用多級(jí)組合邏輯去鐘控PLD中的觸發(fā)器。
圖4給出一個(gè)含有險(xiǎn)象的多級(jí)的例子。時(shí)鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時(shí)鐘(CLK)和該時(shí)鐘的2分頻(DIV2)。多級(jí)邏輯的險(xiǎn)象可以去除。例如,可以插入“冗余邏輯”到項(xiàng)目中。然而,PLD/編譯器在邏輯綜合時(shí)會(huì)去掉這些冗余邏輯,使得驗(yàn)證險(xiǎn)象是否真正被去除變得困難了。為此,必須應(yīng)尋求其他方法來實(shí)現(xiàn)電路的功能。


圖5給出圖4電路的一種單級(jí)時(shí)鐘的替代方案。圖中SEL引腳和DIV2信號(hào)用于使能D觸發(fā)器的使能輸入端,而不是用于該觸發(fā)器的時(shí)鐘引腳。采用這個(gè)電路并不需要附加PLD的邏輯單元,工作卻可靠多了。

4 行波時(shí)鐘
另一種流行的時(shí)鐘電路是采用行波時(shí)鐘,即一個(gè)觸發(fā)器的輸出用作另一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。如果仔細(xì)地設(shè)計(jì),行波時(shí)鐘可以像鐘一樣地可靠工作。然而,行波時(shí)鐘使得與電路有關(guān)的定時(shí)計(jì)算變得很復(fù)雜。行波時(shí)鐘在行波鏈上各觸發(fā)器的時(shí)鐘之間產(chǎn)生較大的時(shí)間偏移,并且會(huì)超出最壞情況下的建立時(shí)間、保持時(shí)間和電路中時(shí)鐘到輸出的延時(shí),使系統(tǒng)的實(shí)際速度下降,如圖6所示。

5 多時(shí)鐘系統(tǒng)
許多系統(tǒng)要求在同一個(gè)PLD內(nèi)采用多時(shí)鐘。最常見的例子是兩個(gè)異步微處理器之間的接口,或微處理器和異步通信通道的接口。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,所以,上述應(yīng)用引進(jìn)了附加的定時(shí)約束條件。它們也會(huì)要求將某些異步信號(hào)同步化。
圖7給出一個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng)的實(shí)例。CLK_A用以鐘控REG_A,CLK_B用于鐘控REG_B,由于REG_A驅(qū)動(dòng)著進(jìn)入REG_B的組合邏輯,故CLK_A的上升沿相對(duì)于CLK_B的上升沿有建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。由于REG_B不驅(qū)動(dòng)饋到REG_A的邏輯,CLK_B的上升沿相對(duì)于CLK_A沒有建立時(shí)間的要求。此外,由于時(shí)鐘的下降沿不影響觸發(fā)器的狀態(tài),所以CLK_A和CLK_B的下降沿之間沒有時(shí)間上的要求。電路中有兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘,可是,在它們之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求是不能保證的。在這種情況下,必須將電路同步化。圖8給出REG_A的值(如何在使用前)同CLK_B同步化。新的觸發(fā)器REG_C由GLK_B觸控,保證REG_G的輸出符合REG_B的建立時(shí)間。然而,這個(gè)方法使輸出延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期。
在許多應(yīng)用中只將異步信號(hào)同步化還是不夠的,當(dāng)系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上非同源時(shí)鐘的時(shí)候,數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間很難得到保證,將面臨復(fù)雜的時(shí)間問題。最好的方法是將所有非同源時(shí)鐘同步化。使用PLD內(nèi)部的鎖項(xiàng)環(huán)(PLL或DLL)是一個(gè)效果很好的方法,但不是所有PLD都帶有PLL,DLL,而且?guī)в蠵LL功能的芯片大多價(jià)格昂貴,所以除非有特殊要求,一般場(chǎng)合可以不使用帶PLL的PLD。這時(shí)需要使用帶使能端的
D觸發(fā)器,并引入一個(gè)高頻時(shí)鐘。

6 結(jié)語
穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要條件,所以不能將任何可能含有毛刺的輸出作為時(shí)鐘信號(hào),并且盡可能只使用一個(gè)全局時(shí)鐘,對(duì)多時(shí)鐘系統(tǒng)要注意同步異步信號(hào)和非同源時(shí)鐘。


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