FPGA設(shè)計中毛刺產(chǎn)生原因及消除

在FPGA的設(shè)計中，毛刺現(xiàn)象是長期困擾電子設(shè)計工程師的設(shè)計問題之一, 是影響工程師設(shè)計效率和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計有效性和可靠性的主要因素。由于信號在FPGA的內(nèi)部走線和通過邏輯單元時造成的延遲,在多路信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出常常產(chǎn)生一些小的尖峰，即毛刺信號，這是由FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性決定的。毛刺現(xiàn)象在FPGA的設(shè)計中是不可避免的，有時任何一點毛刺就可以導(dǎo)致系統(tǒng)出錯,尤其是對尖峰脈沖或脈沖邊沿敏感的電路更是如此。

任何組合電路、反饋電路和計數(shù)器都可能是潛在的毛刺信號發(fā)生器，但毛刺并不是對所有輸入都有危害，如觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的上升沿并滿足數(shù)據(jù)的建立保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害。而當(dāng)毛刺信號成為系統(tǒng)的啟動信號、控制信號、握手信號，觸發(fā)器的清零信號(CLEAR)、預(yù)置信號(PRESET)、時鐘輸入信號(CLK)或鎖存器的輸入信號時就會產(chǎn)生邏輯錯誤。在實際設(shè)計過程中，應(yīng)盡量避免將帶有毛刺的信號直接接入對毛刺敏感的輸入端上，對于產(chǎn)生的毛刺，應(yīng)仔細(xì)分析毛刺的來源和性質(zhì)，針對不同的信號，采取不同的解決方法加以消除。

因此，克服和解決毛刺問題對現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計尤為重要。本文從FPGA的原理結(jié)構(gòu)的角度探討了產(chǎn)生毛刺的原因及產(chǎn)生的條件，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了多種不同的消除方法，在最后結(jié)合具體的應(yīng)用對解決方案進(jìn)行深入的分析。

　　1毛刺產(chǎn)生的原因

以圖1的例子分析毛刺產(chǎn)生的起因：圖1是一個3位同步加法計數(shù)器，當(dāng)使能端為高電平時，在每個時鐘上升沿時刻，QA ,QB,QC從000逐步變到111，進(jìn)入到全1狀態(tài)后，進(jìn)位輸出端輸出半個時鐘脈沖寬度的高電平，但從圖2仿真結(jié)果中可以看到在011變化到100時刻ROC出現(xiàn)了尖脈沖，即毛刺。

以Xilinx的FPGA為例分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示[2]。

FPGA芯片是由可構(gòu)造的輸入輸出塊(Input/OutputBlock，IOB)、可構(gòu)造邏輯塊(Cinfigur able Logic Block，CLB)和可編程連線資源(Programmable Interconnect Array，PIA)3種可構(gòu)造單元構(gòu)成的。IOB位于芯片內(nèi)部四周，在內(nèi)部邏輯陣列與外部芯片封裝引腳之間提供一個可編程接口，他主要由邏輯門、觸發(fā)器和控制單元組成。CLB組成了FPGA的核心陣列，能完成用戶指定的邏輯功能;每個CLB主要有一個組合邏輯、幾個觸發(fā)器、若干個多選一電路和控制單元組成;PIA位于芯片內(nèi)部的邏輯塊之間，經(jīng)編程后形成連線網(wǎng)絡(luò)，用于芯片內(nèi)部邏輯間的相互連接，并在他們之間傳遞信息。從圖3中可以看出，對于不同的輸入1、2，到邏輯塊(M)的走線可能是不同的，這就造成了輸入信號的延遲，假設(shè)1、2同時變化，由于延遲的存在，到達(dá)M時就有先有后(這種現(xiàn)象稱為競爭)，在邏輯輸出端就可能會有險象(也稱冒險)，即產(chǎn)生了毛刺。在上述例子中的011狀態(tài),假設(shè)QA與QB同時從1變化到0，而QC提前了2 ns從0變到1 ，產(chǎn)生一個2 ns的高電平，這就是毛刺。也就是說，在FPGA設(shè)計中,毛刺產(chǎn)生的根本原因是信號在芯片內(nèi)部走線時產(chǎn)生的延遲。

　　2毛刺產(chǎn)生的條件

借助同樣的例子來分析毛刺產(chǎn)生的條件。QA,QB,QC在每一個時鐘上升沿同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)，但實際中由于延遲的存在，并不能保證QA,QB,QC到D觸發(fā)器的布線長短一致。如果QC比Q A,QB提前了2 ns，這就形成了2 ns的全1狀態(tài)，稱為“假象全1”，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)位輸出產(chǎn)生一個尖脈沖。值得注意的是，在3變到4即011到100時，3位中有2位同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即在同一時刻有大于一個的信號發(fā)生改變。由于延遲的作用，多個信號到達(dá)終點的時間有先有后，形成了競爭，由競爭產(chǎn)生的錯誤輸出就是毛刺。所以,毛刺發(fā)生的條件就是在同一時刻有多個信號輸入發(fā)生改變。

　3消除毛刺的方法

知道了毛刺產(chǎn)生的條件，就可以通過改變設(shè)計，破壞其條件來減少毛刺的發(fā)生。例如，利用格雷碼計數(shù)器每次輸出只有一位跳變的特性，代替普通的二進(jìn)制計數(shù)器，避免了毛刺的產(chǎn)生[3]。還可以對電路進(jìn)行改進(jìn)，以消除毛刺對系統(tǒng)的影響。下面對各種方法做分別介紹：

3.1利用冗余項法

利用冗余項消除毛刺有2種方法：代數(shù)法和卡諾圖法，兩者都是通過增加冗余項來消除險象，只是前者針對于函數(shù)表達(dá)式而后者針對于真值表。以卡諾圖為例，若兩個卡諾圓相切，其對應(yīng)的電路就可能產(chǎn)生險象。因此，修改卡諾圖，在卡諾圖的兩圓相切處增加一個圓，以增加多余項來消除邏輯冒險。但該法對于計數(shù)器型產(chǎn)生的毛刺是無法消除的。

3.2采樣法

由于冒險多出現(xiàn)在信號發(fā)生電平跳變的時刻，即在輸出信號的建立時間內(nèi)會產(chǎn)生毛刺，而在保持時間內(nèi)不會出現(xiàn)，因此，在輸出信號的保持時間內(nèi)對其進(jìn)行采樣，就可以消除毛刺信號的影響，常用的采樣方法有2種:一種使用一定寬度的高電平脈沖與輸出相與，從而避開了毛刺信號，取得輸出信號的電平值。這種方法必須保證采樣信號在合適的時間產(chǎn)生，并且只適用于對輸出信號時序和脈沖寬度要求不嚴(yán)的情況。另一種更常見的方法叫鎖存法，是利用D觸發(fā)器的輸入端D對毛刺信號不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號。由于在時鐘的上升沿時刻，輸出端Q=D，當(dāng)輸入的信號有毛刺時，只要不發(fā)生在時鐘的上升沿時刻，輸出就不會有毛刺。這種方法類似于將異步電路轉(zhuǎn)化為同步電路，實現(xiàn)簡單，但同樣會涉及到時序問題。

3.3吸收法

由于產(chǎn)生的毛刺實際上是高頻窄脈沖，故增加輸出濾波，在輸出端接上小電容C就可以濾除毛刺。但輸出波形的前后沿將變壞，在對波形要求較嚴(yán)格時，應(yīng)再加整形電路，該方法不宜在中間級使用。

3.4延遲法

因為毛刺最終是由于延遲造成的，所以可以找出產(chǎn)生延遲的支路。對于相對延遲小的支路，加上毛刺寬度的延遲可以消除毛刺。但有時隨著負(fù)載增加，毛刺會繼續(xù)出現(xiàn)，而且，當(dāng)溫度變化，所加的電壓變化或要增加邏輯門時，所加的延遲是不同的，必須重新設(shè)計延遲線，因而這種方法也是有局限性的。而且采用延遲線的方法產(chǎn)生延遲會由于環(huán)境溫度的變化而使系統(tǒng)可靠性變差。

3.5硬件描述語言法

這種方法是從硬件描述語言入手，找出毛刺產(chǎn)生的根本原因，改變語言設(shè)計，產(chǎn)生滿足要求的功能模塊，來代替原來的邏輯功能塊。在圖1電路中，一個3位計數(shù)器可能會在011到100和101到110發(fā)生跳變時產(chǎn)生毛刺，究其原因是因為一次有2位發(fā)生跳變，可以采用VHDL語言對計數(shù)器編寫如下，產(chǎn)生的計數(shù)模塊代替原來普通的計數(shù)器。

注意在新的計數(shù)器中，每次狀態(tài)發(fā)生改變時Q0,Q1,Q2 只有1位發(fā)生跳變，從根本上消除了毛刺。但計數(shù)器的輸出狀態(tài)沒有規(guī)律,不便于其他電路利用。如果希望計數(shù)器的輸出狀態(tài)有規(guī)律變化以便其他電路使用,可以考慮采用雙輸出電路,一路是單信號輸出,一路是正常計數(shù)輸出。這種方法從根本上消除了毛刺產(chǎn)生的根源,具有普遍的意義，對系統(tǒng)也不會產(chǎn)生影響，是最為可靠的方法，其不利之處是這種方法對VHDL語言要求比較高,必須對電路的工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變有全面的分析和掌握,而隨著電路的復(fù)雜度提高，毛刺產(chǎn)生的來源繁雜，實現(xiàn)起來比較困難。

對于一般情況下產(chǎn)生的毛刺，可以嘗試用D觸發(fā)器來消除。但用D觸發(fā)器消除時，有時會影響到時序，需要考慮很多問題。所以應(yīng)根據(jù)不同情況，仔細(xì)地分析毛刺產(chǎn)生的來源和毛刺的性質(zhì)，結(jié)合系統(tǒng)資源選擇具體辦法，消除毛刺的影響。

　　4具體實例

在實際應(yīng)用中要對一個周期同步脈沖信號進(jìn)行檢測，要求若在給定的時間內(nèi)沒有檢測到同步信號則給出一定脈沖寬度的高電平，作為復(fù)位信號。設(shè)計思想是采用一個計數(shù)器，當(dāng)有同步信號時對其清零，并同時開始計數(shù),根據(jù)給定時間和系統(tǒng)時鐘周期設(shè)定計數(shù)器的模數(shù)，經(jīng)過給定的時間后輸出高電平，滿足寬度后再置低。

實際要求檢測時間大約1 s，脈沖寬度保持在20 ms左右，采用5片74161級聯(lián)，第5片計數(shù)器的ROC接D觸發(fā)器的使能端。同步信號輸入后，清零并開始計數(shù)，若不再出現(xiàn)同步脈沖，經(jīng)16^5 個時鐘周期后，第5片的RCO端輸出一個高電平，使觸發(fā)器的Q輸出D(高電平)，再過16^3*2個時鐘周期后使第4片的QA,QB,QC,QD接組合門電路輸出低電平,接到D觸發(fā)器的計數(shù)器預(yù)制端,使Q輸出為零。這樣就實現(xiàn)經(jīng)一定延時后的一定寬度的脈沖。經(jīng)仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真平臺采用Max+PlusⅡ,時鐘周期設(shè)為10 ns,經(jīng)計算可以知道在10.485 928 2 ms處產(chǎn)生寬度為81.92μs的高電平，但由于存在數(shù)據(jù)建立時間和保持時間，仿真結(jié)果中的變化時刻并不是嚴(yán)格與計算相符的，其中 q0,q1,q2,q3是第5片74161的輸出,roc1是第4片的進(jìn)位輸出,roc是第5片的進(jìn)位輸出,roc1輸出16個高電平后，roc同時輸出一個高電平。圖4中復(fù)位信號reset卻在5.247 ms和10.485 297 9 ms處發(fā)生。第一個錯誤的原因是,由于計數(shù)器累加，內(nèi)部走線造成的延時，當(dāng)?shù)?片計數(shù)器從0111狀態(tài)跳變到1 000時，輸入同時有3位變化，致使進(jìn)位輸出roc在roc1的第8個輸出時產(chǎn)生了一個尖脈沖，使觸發(fā)器的Q端提前發(fā)生電平轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了在5.247 ms處產(chǎn)生錯誤復(fù)位信號。同樣的原因，第4片的進(jìn)位輸出roc1在第14個輸出跳變到第15個輸出時發(fā)生毛刺，而該毛刺使第5片161進(jìn)入計數(shù)狀態(tài)，在roc端也產(chǎn)生了毛刺，就出現(xiàn)了圖4中復(fù)位信號提前翻轉(zhuǎn)的結(jié)果。

對于該電路中存在的毛刺問題，可以采用2種方法修改電路。由于該電路對時間要求的不是很嚴(yán)格，對第4，5片74LS161取1110狀態(tài)做最后輸出，就避免了由延遲造成的假象全1狀態(tài)，仿真結(jié)果證明這種方法是有效的。但這種方法增加了邏輯門數(shù)量，同時也增加了險象發(fā)生的可能性。

另一種比較可靠且常用的方法是用帶使能端的D觸發(fā)器代替原來的觸發(fā)器，把計數(shù)器最后的輸出roc接到觸發(fā)器的使能端，時鐘用統(tǒng)一的計數(shù)時鐘，由于毛刺本身是尖脈沖，不能滿足數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間，避免了產(chǎn)生的毛刺對Q的輸出的影響。從仿真結(jié)果(圖5)中可以看到，雖然這種方法并不能消除毛刺，但是毛刺已經(jīng)不具有危害性，故這是一種簡單有效的方法。


5結(jié)語

毛刺問題在FPGA設(shè)計中非常關(guān)鍵，只有深刻理解毛刺的本質(zhì)，才有可能真正掌握設(shè)計的精髓，本文就FPGA設(shè)計中的毛刺問題進(jìn)行了深入的探討，分析其產(chǎn)生的原因和條件，給出了幾種常用的消除方法，希望對FPGA設(shè)計者有一定的參考作用。