影響FPGA設(shè)計中時鐘因素的探討

　　時鐘是整個電路最重要、最特殊的信號，系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動作都是在時鐘的跳變沿上進(jìn)行, 這就要求時鐘信號時延差要非常小, 否則就可能造成時序邏輯狀態(tài)出錯；因而明確FPGA設(shè)計中決定系統(tǒng)時鐘的因素，盡量較小時鐘的延時對保證設(shè)計的穩(wěn)定性有非常重要的意義。

　　1.1 建立時間與保持時間

　　建立時間（Tsu：set up time）是指在時鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時間，如果建立的時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；保持時間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時間，如果保持時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。建立與保持時間的簡單示意圖如下圖1所示。

圖1 保持時間與建立時間的示意圖

　　在FPGA設(shè)計的同一個模塊中常常是包含組合邏輯與時序邏輯，為了保證在這些邏輯的接口處數(shù)據(jù)能穩(wěn)定的被處理，那么對建立時間與保持時間建立清晰的概念非常重要。下面在認(rèn)識了建立時間與保持時間的概念上思考如下的問題。

圖2 同步設(shè)計中的一個基本模型

　　圖2為統(tǒng)一采用一個時鐘的同步設(shè)計中一個基本的模型。圖中Tco是觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出的延時；Tdelay是組合邏輯的延時；Tsetup是觸發(fā)器的建立時間；Tpd為時鐘的延時。如果第一個觸發(fā)器D1建立時間最大為T1max，最小為T1min，組合邏輯的延時最大為T2max，最小為T2min。問第二個觸發(fā)器D2立時間T3與保持時間T4應(yīng)該滿足什么條件，或者是知道了T3與T4那么能容許的最大時鐘周期是多少。這個問題是在設(shè)計中必須考慮的問題，只有弄清了這個問題才能保證所設(shè)計的組合邏輯的延時是否滿足了要求。

　　下面通過時序圖來分析：設(shè)第一個觸發(fā)器的輸入為D1，輸出為Q1,第二個觸發(fā)器的輸入為D2，輸出為Q2；

　　時鐘統(tǒng)一在上升沿進(jìn)行采樣，為了便于分析我們討論兩種情況即第一：假設(shè)時鐘的延時Tpd為零，其實這種情況在FPGA設(shè)計中是常常滿足的，由于在FPGA 設(shè)計中一般是采用統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，也就是利用從全局時鐘管腳輸入的時鐘，這樣在內(nèi)部時鐘的延時完全可以忽略不計。這種情況下不必考慮保持時間，因為每個數(shù)據(jù)都是保持一個時鐘節(jié)拍同時又有線路的延時，也就是都是基于CLOCK的延遲遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)的延遲基礎(chǔ)上，所以保持時間都能滿足要求，重點是要關(guān)心建立時間，此時如果D2的建立時間滿足要求那么時序圖應(yīng)該如圖3所示。

　　從圖中可以看出如果：

　　T-Tco-Tdelay>T3

　　即： Tdelay< T-Tco-T3

　　那么就滿足了建立時間的要求，其中T為時鐘的周期，這種情況下第二個觸發(fā)器就能在第二個時鐘的升沿就能穩(wěn)定的采到D2，時序圖如圖3所示。

圖3 符合要求的時序圖

　　如果組合邏輯的延時過大使得

　　T-Tco-Tdelay

　　那么將不滿足要求，第二個觸發(fā)器就在第二個時鐘的升沿將采到的是一個不定態(tài)，如圖4所示。那么電路將不能正常的工作。

圖4 組合邏輯的延時過大時序不滿足要求

　　從而可以推出

　　T-Tco-T2max>＝T3

　　這也就是要求的D2的建立時間。

　　從上面的時序圖中也可以看出，D2的建立時間與保持時間與D1的建立與保持時間是沒有關(guān)系的，而只和D2前面的組合邏輯和D1的數(shù)據(jù)傳輸延時有關(guān)，這也是一個很重要的結(jié)論。說明了延時沒有疊加效應(yīng)。

　　第二種情況如果時鐘存在延時，這種情況下就要考慮保持時間了，同時也需要考慮建立時間。時鐘出現(xiàn)較大的延時多是采用了異步時鐘的設(shè)計方法，這種方法較難保證數(shù)據(jù)的同步性，所以實際的設(shè)計中很少采用。此時如果建立時間與保持時間都滿足要求那么輸出的時序如圖5所示。

圖5 時鐘存在延時但滿足時序

　　從圖5中可以容易的看出對建立時間放寬了Tpd，所以D2的建立時間需滿足要求：

　　Tpd＋T-Tco-T2max>＝T3

　　由于建立時間與保持時間的和是穩(wěn)定的一個時鐘周期，如果時鐘有延時，同時數(shù)據(jù)的延時也較小那么建立時間必然是增大的，保持時間就會隨之減小，如果減小到不滿足D2的保持時間要求時就不能采集到正確的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

　　這時即T－（Tpd－Tco-T2min）

　　T－（Tpd+T－Tco-T2min）>＝T4 即Tco＋T2min-Tpd>＝T4

　　從上式也可以看出如果Tpd＝0也就是時鐘的延時為0那么同樣是要求Tco＋T2min>T4，但是在實際的應(yīng)用中由于T2的延時也就是線路的延時遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觸發(fā)器的保持時間即T4所以不必要關(guān)系保持時間。

圖6 時鐘存在延時且保持時間不滿足要求