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西安大唐电信_fpga经验谈.pdf
FPGA/CPLD 数字电路设计经验 技术交流讲义
FPGA/CPLD 数字电路设计经验分享
摘要:在数字电路的设计中,时序设计是一个系统性能的主要标志,在高层次设计方法中,
对时序控制的抽象度也相应提高,因此在设计中较难把握,但在理解 RTL 电路时序模型的
基础上,采用合理的设计方法在设计复杂数字系统是行之有效的,通过许多设计实例证明采
用这种方式可以使电路的后仿真通过率大大提高,并且系统的工作频率可以达到一个较高水
平。
关键词:FPGA 数字电路 时序 时延路径 建立时间 保持时间
1 数字电路设计中的几个基本概念:
1.1 建立时间和保持时间:
建立时间(setup time )是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前,数据稳定不变的时
间,如果建立时间不够,数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器;保持时间 (hold time )
是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后,数据稳定不变的时间, 如果保持时间不够,数
据同样不能被打入触发器。 如图 1 。 数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求,当
然在一些情况下,建立时间和保持时间的值可以为零。 PLD/FPGA开发软件可以 自动计算
两个相关输入的建立和保持时间(如图 2 )
图 1 建立时间和保持时间关系图
注:
在考虑建立保持时间时,应该考虑时钟树向后偏斜的情况,在考虑建立时间时应该
考虑时钟树向前偏斜的情况。在进行后仿真时,最大延迟用来检查建立时间,最小
延时用来检查保持时间。
建立时间的约束和时钟周期有关,当系统在高频时钟下无法工作时,降低时钟频率
就可以使系统完成工作。保持时间是一个和时钟周期无关的参数,如果设计不合理,
使得布局布线工具无法布出高质量的时钟树,那么无论如何调整时钟频率也无法达
到要求,只有对所设计系统作较大改动才有可能正常工作,导致设计效率大大降低。
因此合理的设计系统的时序是提高设计质量的关键。在可编程器件中,时钟树的偏
斜几乎可以不考虑,因此保持时间通常都是满足的。
1.2 FPGA 中的竞争和冒险现象
信号在 FPGA 器件内部通过连线和逻辑单元时,都有一定的延时。延时的大小与连线的
长短和逻辑单元的数目有关,同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。
信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素,多路信号的电平值
西安大唐电信有限公司 1 iEx 项目部FPGA 设计底层驱动组
FPGA/CPLD 数字电路设计经验 技术交流讲义
发生变化时,在信号变化的瞬间,组合逻辑的输出有先后顺序,并不是同时变化,往往会出
现一些不正确的尖峰信号,这些尖峰信号称为毛刺。如果一个组合逻辑电路中有毛刺
出现,就说明该电路存在冒险。 (与分立元件不同,由于PLD 内部不存在寄生电容电感,
这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递,因此毛刺现象在 PLD、FPGA 设计中尤为突出)
图 2 是一个逻辑冒险的例子,从图 3 的仿真波形可以看出,A、B、C、D四个输入信号经
过布线延时以后,高低电平变换不是同时发生的,这导致输出信号OUT出现了毛刺。 (我
们无法保证所有连线的长度一致,所以即使四个输入信号在输入端同时变化,但经过 PLD
内部的走线,到达或门的时间也是不一样的,毛刺必然产生)。可以概括的讲,只要输入
信号同时变化, (经过内部走线)组合逻辑必将产生毛刺。 将它们的输出直接连接到时钟
输入端、清零或置位端口的设计方法是错误的,这可能会导致严重的后果。 所以我们必须
检查设计中所有时钟、清零和置位等对毛刺敏感的输入端口,确保输入不会含有任何毛刺
图 2 存在逻辑冒险的电路示例
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