FPGA設(shè)計(jì)的常見問題

1 數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)基本概念：

1.1 建立時(shí)間和保持時(shí)間：

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

1.2 FPGA中的競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象

信號(hào)在FPGA器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時(shí)，都有一定的延時(shí)。延時(shí)的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時(shí)還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時(shí)間。由于存在這兩方面因素，多路信號(hào)的電平值發(fā)生變化時(shí)，在信號(hào)變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，并不是同時(shí)變化,往往會(huì)出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)稱為毛刺。如果一個(gè)組合邏輯電路中有毛刺出現(xiàn)，就說明該電路存在冒險(xiǎn)。（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(jí)傳遞，因此毛刺現(xiàn)象在PLD、FPGA設(shè)計(jì)中尤為突出）圖2是一個(gè)邏輯冒險(xiǎn)的例子，從圖3的仿真波形可以看出，A、B、C、D四個(gè)輸入信號(hào)經(jīng)過布線延時(shí)以后，高低電平變換不是同時(shí)發(fā)生的，這導(dǎo)致輸出信號(hào)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(gè)輸入信號(hào)在輸入端同時(shí)變化，但經(jīng)過PLD內(nèi)部的走線，到達(dá)或門的時(shí)間也是不一樣的，毛刺必然產(chǎn)生）。可以概括的講，只要輸入信號(hào)同時(shí)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(shí)鐘輸入端、清零或置位端口的設(shè)計(jì)方法是錯(cuò)誤的，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。 所以我們必須檢查設(shè)計(jì)中所有時(shí)鐘、清零和置位等對(duì)毛刺敏感的輸入端口，確保輸入不會(huì)含有任何毛刺。

如何處理毛刺

我們可以通過改變?cè)O(shè)計(jì)，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(jì)中，常常采用格雷碼計(jì)數(shù)器取代普通的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，這是因?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器的輸出每次只有一位跳變，消除了競爭冒險(xiǎn)的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。

毛刺并不是對(duì)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(shí)鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間，就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害，我們可以說D觸發(fā)器的D輸入端對(duì)毛刺不敏感。 根據(jù)這個(gè)特性，我們應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)中盡可能采用同步電路，這是因?yàn)橥诫娐沸盘?hào)的變化都發(fā)生在時(shí)鐘沿，只要毛刺不出現(xiàn)在時(shí)鐘的沿口并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間，就不會(huì)對(duì)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(shí)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(duì)毛刺信號(hào)不敏感的特點(diǎn)，在輸出信號(hào)的保持時(shí)間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號(hào)，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。

1.3 清除和置位信號(hào)

在FPGA的設(shè)計(jì)中，全局的清零和置位信號(hào)必須經(jīng)過全局的清零和置位管腳輸入，因?yàn)樗麄円矊儆谌值馁Y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(huì)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(jì)中，除了從外部管腳引入的全局清除和置位信號(hào)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(hào)。清除和置位信號(hào)要求象對(duì)待時(shí)鐘那樣小心地考慮它們，因?yàn)檫@些信號(hào)對(duì)毛刺也是非常敏感的。

在同步電路設(shè)計(jì)中，有時(shí)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(jì)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;

1.4 觸發(fā)器和鎖存器：

我們知道，觸發(fā)器是在時(shí)鐘的沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的鎖存的，而鎖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(gè)時(shí)鐘沿都會(huì)被更新，而鎖存器只能在使能電平有效器件才會(huì)被更新。在FPGA設(shè)計(jì)中建議如果不是必須那么應(yīng)該盡量使用觸發(fā)器而不是鎖存器。

那么在使用硬件描述語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候如何區(qū)分觸發(fā)器和鎖存器的描述方法哪？其實(shí)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)器和鎖存器以及綜合器產(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;

2 FPGA/CPLD中的一些設(shè)計(jì)方法

2.1 FPGA設(shè)計(jì)中的同步設(shè)計(jì)

異步設(shè)計(jì)不是總能滿足(它們所饋送的觸發(fā)器的)建立和保持時(shí)間的要求。因此，異步輸入常常會(huì)把錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)鎖存到觸發(fā)器，或者使觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)定的狀態(tài),在該狀態(tài)下，觸發(fā)器的輸出不能識(shí)別為l或0。如果沒有正確地處理，亞穩(wěn)性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)可靠性問題。

另外，在FPGA的內(nèi)部資源里最重要的一部分就是其時(shí)鐘資源（全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)），它一般是經(jīng)過FPGA的特定全局時(shí)鐘管腳進(jìn)入FPGA內(nèi)部，后經(jīng)過全局時(shí)鐘BUF適配到全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的，這樣的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可以保證相同的時(shí)鐘沿到達(dá)芯片內(nèi)部每一個(gè)觸發(fā)器的延遲時(shí)間差異是可以忽略不計(jì)的。

在FPGA中上述的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)被稱為時(shí)鐘樹，無論是專業(yè)的第三方工具還是器件廠商提供的布局布線器在延時(shí)參數(shù)提取、分析的時(shí)候都是依據(jù)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算的基準(zhǔn)的。如果一個(gè)設(shè)計(jì)沒有使用時(shí)鐘樹提供的時(shí)鐘，那么這些設(shè)計(jì)工具有的會(huì)拒絕做延時(shí)分析有的延時(shí)數(shù)據(jù)將是不可靠的。

在我們?nèi)粘５脑O(shè)計(jì)中很多情形下會(huì)用到需要分頻的情形，好多人的做法是先用高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)，然后使用計(jì)數(shù)器的某一位輸出作為工作時(shí)鐘進(jìn)行其他的邏輯設(shè)計(jì)。其實(shí)這樣的方法是不規(guī)范的。比如下面的描述方法：
process
begin
wait until clk’event and clk=’1’;
if fck=’1’ then
count=(others=>’0’);
else
count=count+1;
end if;