EDN博客精華文章 作者：ilove314
FPGA/CPLD重要設(shè)計(jì)思想及工程應(yīng)用
時(shí)序及同步設(shè)計(jì)篇
這是昨晚的課程，主要講時(shí)鐘同步，課上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真的對(duì)比。（08.4.24）
概述
數(shù)字電路中,時(shí)鐘是整個(gè)電路最重要、最特殊的信號(hào)。
第一, 系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動(dòng)作都是在時(shí)鐘的跳變沿上進(jìn)行, 這就要求時(shí)鐘信號(hào)時(shí)延差要非常小, 否則就可能造成時(shí)序邏輯狀態(tài)出錯(cuò).
第二, 時(shí)鐘信號(hào)通常是系統(tǒng)中頻率最高的信號(hào).
第三, 時(shí)鐘信號(hào)通常是負(fù)載最重的信號(hào), 所以要合理分配負(fù)載。出于這樣的考慮在FPGA這類(lèi)可編程器件內(nèi)部一般都設(shè)有數(shù)量不等的專(zhuān)門(mén)用于系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：一、負(fù)載能力特別強(qiáng), 任何一個(gè)全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)線都可以驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的觸發(fā)器; 二是時(shí)延差特別小; 三是時(shí)鐘信號(hào)波形畸變小, 工作可靠性好。
因此, 在FPGA設(shè)計(jì)中最好的時(shí)鐘方案是: 由專(zhuān)用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)單個(gè)主時(shí)鐘去控制設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。同步設(shè)計(jì)時(shí), 全局時(shí)鐘輸入一般都接在器件的時(shí)鐘端, 否則會(huì)使其性能受到影響。
對(duì)于需要多時(shí)鐘的時(shí)序電路, 最好選用一個(gè)頻率是它們的時(shí)鐘頻率公倍數(shù)的高頻主時(shí)鐘。
各個(gè)功能模塊要使用統(tǒng)一的復(fù)位電路。在使用帶時(shí)鐘的觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等有復(fù)位端的庫(kù)器件時(shí), 一般應(yīng)盡量使用有同步復(fù)位的器件。注意復(fù)位時(shí)保證各個(gè)器件都能復(fù)位, 以避免某些寄存器的初始狀態(tài)不確定而引起系統(tǒng)工作不可靠。
若想掌握時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法首先需要了解建立時(shí)間和保持時(shí)間的概念。
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(lái)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(lái)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。
對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，全局時(shí)鐘(或同步時(shí)鐘)是最簡(jiǎn)單和最可預(yù)測(cè)的時(shí)鐘。在CPLD/FPGA設(shè)計(jì)中最好的時(shí)鐘方案是：由專(zhuān)用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)的單個(gè)主時(shí)鐘去鐘控設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采用全局時(shí)鐘。CPLD/FPGA都具有專(zhuān)門(mén)的全局時(shí)鐘引腳，它直接連到器件中的每一個(gè)寄存器。這種全局時(shí)鐘提供器件中最短的時(shí)鐘到輸出的延時(shí)。
在許多應(yīng)用中只將異步信號(hào)同步化還是不夠的，當(dāng)系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上非同源時(shí)鐘的時(shí)候，數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間很難得到保證，我們將面臨復(fù)雜的時(shí)間問(wèn)題，那么這個(gè)時(shí)候怎么辦呢？
最好的方法是將所有非同源時(shí)鐘同步化，那么又怎么樣將非同源時(shí)鐘同步化呢？
我們可以使用帶使能端的D觸發(fā)器，并引入一個(gè)高頻時(shí)鐘（頻率高于系統(tǒng)中的所有源時(shí)鐘），便可以達(dá)到使系統(tǒng)中所有源時(shí)鐘同步的效果。
系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)：
系統(tǒng)有兩個(gè)不同源時(shí)鐘，一個(gè)為3MHz，一個(gè)為5MHz，不同的觸發(fā)器使用不同的時(shí)鐘。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，假設(shè)我們引入一個(gè)20MHz時(shí)鐘，那么這個(gè)20MHz的時(shí)鐘怎么才能將3M和5M時(shí)鐘同步化呢？
20M的高頻時(shí)鐘將作為系統(tǒng)時(shí)鐘，輸入到所有觸發(fā)器的的時(shí)鐘端。3M_EN 和5M_EN將控制所有觸發(fā)器的使能端。即原來(lái)接3M時(shí)鐘的觸發(fā)器，接20M時(shí)鐘，同時(shí)3M_EN 將控制該觸發(fā)器使能，原接5M時(shí)鐘的觸發(fā)器，也接20M時(shí)鐘，同時(shí)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(shí)鐘同步化。
異步信號(hào)輸入總是無(wú)法滿足數(shù)據(jù)的建立保持時(shí)間，所以建議大家把所有異步輸入都先經(jīng)過(guò)雙觸發(fā)器進(jìn)行同步化。
下面是用20MHz的時(shí)鐘作為同步時(shí)鐘得出的功能仿真波形：（下面一個(gè)小波形是將上面一個(gè)圖的EN_3信號(hào)的局部放大，可以明顯看出黃線前后兩個(gè)時(shí)鐘大小相差了一個(gè)主時(shí)鐘周期，這是因?yàn)?0/3不為整數(shù)導(dǎo)致一個(gè)EN_3的脈沖周期有可能6個(gè)也有可能7個(gè)主時(shí)鐘周期）
15MHz的同步時(shí)鐘功能仿真波形，可以得到一致的EN_3和EN_5的脈沖，其高電平保持都為1/20M的時(shí)間。
綜合后的原理圖：
在通常的FPGA設(shè)計(jì)中對(duì)時(shí)鐘偏差的控制主要有以下幾種方法：
1、控制時(shí)鐘信號(hào)盡量走可編程器件的的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。在可編程器件中一般都有專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器及全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，不同種類(lèi)、型號(hào)的可編程器件，它們中的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不同，因此要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要選擇含有合適數(shù)量全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的可編程器件。一般來(lái)說(shuō)，走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘信號(hào)到各使能端的延時(shí)小，時(shí)鐘偏差很小，基本可以忽略不計(jì)。
2、若設(shè)計(jì)中時(shí)鐘信號(hào)數(shù)量很多，無(wú)法讓所有的信號(hào)都走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，那么可以通過(guò)在設(shè)計(jì)中加約束的方法，控制不能走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘偏差。
3、異步接口時(shí)序裕度要足夠大局部同步電路之間接口都可以看成是異步接口，比較典型的是設(shè)計(jì)中的高低頻電路接口、I/O接口，那么接口電路中后一級(jí)觸發(fā)器的建立-保持時(shí)間要滿足要求，時(shí)序裕度要足夠大。
4、在系統(tǒng)時(shí)鐘大于30MHz時(shí)，設(shè)計(jì)難度有所加大，建議采用流水線等設(shè)計(jì)方法。
5、要保證電路設(shè)計(jì)的理論最高工作頻率大于電路的實(shí)際工作頻率。
復(fù)位和置位信號(hào)處理：
在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證有一全局復(fù)位信號(hào)，或保證觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器在使用前已經(jīng)正確清零狀態(tài)。在設(shè)計(jì)寄存器的清除和置位信號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量直接從器件的專(zhuān)用引腳驅(qū)動(dòng)。另外，要考慮到有些器件上電時(shí)，觸發(fā)器處于一種不確定的狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加入全局復(fù)位/Reset。
這樣主復(fù)位引腳就可以給設(shè)計(jì)中的每一個(gè)觸發(fā)器饋送清除或置位信號(hào)，保證系統(tǒng)處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)。需要注意的一點(diǎn)是：不要對(duì)寄存器的置位和清除端同時(shí)施加不同信號(hào)產(chǎn)生的控制，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效的意外情況，會(huì)使寄存器進(jìn)入不定狀態(tài)。
