FPGA/CPLD數(shù)字電路原理介紹

當產(chǎn)生門控時鐘的組合邏輯超過一級時，證設(shè)計項目的可靠性變得很困難。即使樣機或仿真結(jié)果沒有顯示出靜態(tài)險象，但實際上仍然可能存在著危險。通常，我們不應該用多級組合邏輯去鐘控PLD設(shè)計中的觸發(fā)器。

圖1給出一個含有險象的多級時鐘的例子。時鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時鐘(CLK)和該時鐘的2分頻 (DIV2)。由圖1的定時波形圖看出，在兩個時鐘均為邏輯1的情況下，當SEL線的狀態(tài)改變時，存在靜態(tài)險象。險象的程度取決于工作的條件。 多級邏輯的險象是可以去除的。

圖1 有靜態(tài)險象的多級時鐘

圖2給出圖1電路的一種單級時鐘的替代方案。圖中SEL引腳和DIV2信號用于使能D觸發(fā)器的使能輸入端，而不是用于該觸發(fā)器的時鐘引腳。采用這個電路并不需要附加PLD的邏輯單元，工作卻可靠多了。 不同的系統(tǒng)需要采用不同的方法去除多級時鐘，并沒有固定的模式。

圖2 無靜態(tài)險象的多級時鐘

行波時鐘

另一種流行的時鐘電路是采用行波時鐘，即一個觸發(fā)器的輸出用作另一個觸發(fā)器的時鐘輸入。如果仔細地設(shè)計，行波時鐘可以象全局時鐘一樣地可靠工作。然而，行波時鐘使得與電路有關(guān)的定時計算變得很復雜。行波時鐘在行波鏈上各觸發(fā)器的時鐘之間產(chǎn)生較大的時間偏移，并且會超出最壞情況下的建立時間、保持時間和電路中時鐘到輸出的延時，使系統(tǒng)的實際速度下降。

用計數(shù)翻轉(zhuǎn)型觸發(fā)器構(gòu)成異步計數(shù)器時常采用行波時鐘，一個觸發(fā)器的輸出鐘控下一個觸發(fā)器的輸入，參看圖3同步計數(shù)器通常是代替異步計數(shù)器的更好方案，這是因為兩者需要同樣多的宏單元而同步計數(shù)器有較快的時鐘到輸出的時間。圖4給出具有全局時鐘的同步計數(shù)器，它和圖3功能相同，用了同樣多的邏輯單元實現(xiàn)，卻有較快的時鐘到輸出的時間。幾乎所有PLD開發(fā)軟件都提供多種多樣的同步計數(shù)器。

圖3 行波時鐘

圖4 行波時鐘轉(zhuǎn)換成全局時鐘

多時鐘系統(tǒng)

許多系統(tǒng)要求在同一個PLD內(nèi)采用多時鐘。最常見的例子是兩個異步微處理器器之間的接口，或微處理器和異步通信通道的接口。由于兩個時鐘信號之間要求一定的建立和保持時間，所以，上述應用引進了附加的定時約束條件。它們也會要求將某些異步信號同步化。

圖5給出一個多時鐘系統(tǒng)的實例。CLK_A用以鐘控REG_A，CLK_B用于鐘控REG_B，由于REG_A驅(qū)動著進入REG_B的組合邏輯，故CLK_A的上升沿相對于CLK_B的上升沿有建立時間和保持時間的要求。由于REG_B不驅(qū)動饋到REG_A的邏輯，CLK_B的上升沿相對于 CLK_A沒有建立時間的要求。此外，由于時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間上的要求。如圖5所示，電路中有兩個獨立的時鐘，可是，在它們之間的建立時間和保持時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6 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的建立時間。然而，這個方法使輸出延時了一個時鐘周期。

圖5 多時鐘系統(tǒng) (定時波形示出CLK_A的上升沿相對于CLK_B的上升沿有建立時間和保持時間的約束條件)

圖6 具有同步寄存器輸出的多時鐘系統(tǒng)

在許多應用中只將異步信號同步化還是不夠的，當系統(tǒng)中有兩個或兩個以上非同源時鐘的時候，數(shù)據(jù)的建立和保持時間很難得到保證，我們將面臨復雜的時間問題。最好的方法是將所有非同源時鐘同步化。使用PLD內(nèi)部的鎖項環(huán)(PLL或DLL)是一個效果很好的方法，但不是所有PLD都帶有PLL、DLL，而且?guī)в蠵LL功能的芯片大多價格昂貴，所以除非有特殊要求，一般場合可以不使用帶PLL的PLD。 這時我們需要使用帶使能端的D觸發(fā)器，并引入一個高頻時鐘。

圖7 不同源時鐘

如圖7所示，系統(tǒng)有兩個不同源時鐘，一個為3MHz，一個為5MHz，不同的觸發(fā)器使用不同的時鐘。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，我們引入一個20MHz時鐘，將3M和5M時鐘同步化，如圖8所示。 20M的高頻時鐘將作為系統(tǒng)時鐘，輸入到所有觸發(fā)器的的時鐘端。3M_EN 和5M_EN將控制所有觸發(fā)器的使能端。即原來接3M時鐘的觸發(fā)器，接20M時鐘，同時3M_EN 將控制該觸發(fā)器使能 ，原接5M時鐘的觸發(fā)器，也接20M時鐘，同時5M_EN 將控制該觸發(fā)器使能。 這樣我們就可以將任何非同源時鐘同步化。

圖8 同步化任意非同源時鐘

另外，異步信號輸入總是無法滿足數(shù)據(jù)的建立保持時間，容易使系統(tǒng)進入亞穩(wěn)態(tài)，所以也建議設(shè)計者把所有異步輸入都先經(jīng)過雙觸發(fā)器進行同步化。穩(wěn)定可靠的時鐘是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要條件，我們不能夠?qū)⑷魏慰赡芎忻痰妮敵鲎鳛闀r鐘信號，并且盡可能只使用一個全局時鐘，對多時鐘系統(tǒng)要注意同步異步信號和非同源時鐘。