大型FPGA設(shè)計(jì)中的多時(shí)鐘設(shè)計(jì)策略

作為一種可能的解決方案，我們推薦使用一個(gè)最快的時(shí)鐘來(lái)對(duì)16個(gè)E1時(shí)鐘采樣。16個(gè)輸入時(shí)鐘都接近2.048MHz，并且還有一個(gè)34.368MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。這樣，我們可以用34.368MHz時(shí)鐘來(lái)對(duì)16個(gè)E1時(shí)鐘分別進(jìn)行采樣，并將結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)16位存儲(chǔ)器中(每個(gè)E1時(shí)鐘一個(gè)位)。然后，我們可以使用一個(gè)算法來(lái)檢測(cè)在E1時(shí)鐘上由低至高的轉(zhuǎn)換，為每一個(gè)E1數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)使能信號(hào)，并在下一個(gè)周期(34.368MHz)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

要成功實(shí)現(xiàn)這種方案，還必需了解時(shí)鐘-數(shù)據(jù)關(guān)系以避免在數(shù)據(jù)變化時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采樣，參見(jiàn)圖6。請(qǐng)注意在時(shí)鐘采樣電路的第一級(jí)中使用了兩個(gè)觸發(fā)器以確保在亞穩(wěn)態(tài)下正常工作。另外需要注意的是，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘必須具有相同時(shí)鐘周期數(shù)的延遲。

我們已經(jīng)成功地將多路復(fù)用器的時(shí)鐘減少到一個(gè)時(shí)鐘，同樣的方法可否用在解復(fù)用器呢？E3解復(fù)用器必須采用一個(gè)外部輸入時(shí)鐘，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)E3輸入數(shù)據(jù)的同一個(gè)片外器件利用到該時(shí)鐘。由于E3解復(fù)用器知道在什么時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)到E2解復(fù)用器，并能對(duì)每個(gè)E2解復(fù)用器產(chǎn)生使能信號(hào)，而四個(gè)E2解復(fù)用器能工作在與E3多路復(fù)用器相同的主時(shí)鐘下。同樣，E2多路復(fù)用器能夠?yàn)槊總€(gè)E1流產(chǎn)生使能信號(hào)。

如果我們假設(shè)線路接口芯片能夠接受有間隙的時(shí)鐘(gapped clock)，一旦確定發(fā)出E1使能信號(hào),我們只需要發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖至線路接口。然而，只需要簡(jiǎn)單地發(fā)送使能信號(hào)本身至接口芯片而不必產(chǎn)生一個(gè)新的時(shí)鐘。因?yàn)樗椭两涌诘臄?shù)據(jù)將在使能信號(hào)的下降沿產(chǎn)生改變(參見(jiàn)圖5)，我們需要確認(rèn)接口在時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行采樣。因?yàn)槭鼓苄盘?hào)僅在線路接口芯片上而不是在FPGA內(nèi)用作一個(gè)時(shí)鐘，就沒(méi)有必要在一個(gè)低抖動(dòng)源中進(jìn)行布線。注意這是在知道將再也不會(huì)用主時(shí)鐘的連續(xù)脈沖送數(shù)據(jù)到相同的從屬器件中時(shí)才這樣做。

1MHz SPI時(shí)鐘并不能簡(jiǎn)單去掉，但我們現(xiàn)在通過(guò)使用使能信號(hào)和時(shí)鐘過(guò)采樣技術(shù)，將原先40個(gè)時(shí)鐘減少到3個(gè)，這樣我們就有了更大的器件選擇范圍。

異步時(shí)鐘

在用異步時(shí)鐘產(chǎn)生任何邏輯前應(yīng)該盡量先考慮采用其它替代方法，用異步時(shí)鐘的組合邏輯是產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的主要原因。同樣，當(dāng)違反觸發(fā)器的設(shè)置和保持時(shí)間約束時(shí)，在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)輸出將具有不確定性，并且將最終設(shè)定在“1”或“0”上，確切的狀態(tài)不可預(yù)知。

幸運(yùn)的是對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)性問(wèn)題已經(jīng)有一些解決方案。圖6說(shuō)明了這一方案，這是一種雙寄存器方法：進(jìn)入第一級(jí)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘異步，所以第一級(jí)觸發(fā)器幾乎肯定是亞穩(wěn)態(tài)；然而，只要亞穩(wěn)態(tài)的長(zhǎng)度小于時(shí)鐘的周期，第二級(jí)觸發(fā)器就不會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。但是，FPGA供應(yīng)商很少提供亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間，盡管該時(shí)間一般小于觸發(fā)器的設(shè)置和保持時(shí)間之和。

如果時(shí)鐘不是太快而且能滿足時(shí)序約束的話，像圖6所示的電路將可能不會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。只要所有輸出到觸發(fā)器的通路由相同時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，即使第一級(jí)觸發(fā)器的輸出可用，通常還是需要用像圖6中電路來(lái)將亞穩(wěn)態(tài)隔離到一條短線。采用這種方法后，將不太可能出現(xiàn)由于電路的改變而無(wú)意地在無(wú)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的邏輯中用到該亞穩(wěn)太線。

如果讀數(shù)據(jù)的是一個(gè)計(jì)數(shù)器，像從一個(gè)異步FIFO讀或?qū)懙刂罚銘?yīng)該考慮下列情況：一個(gè)傳統(tǒng)的3位計(jì)數(shù)器在狀態(tài)之間有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)位的變化，例如讀數(shù)發(fā)生在計(jì)數(shù)器從“011”到“100”變化的瞬間，則所有三個(gè)位的值將不確定，讀的值會(huì)是八種可能狀態(tài)中的任一種。如果計(jì)數(shù)器是使用格雷碼，如表所示，則每次僅有一位發(fā)生狀態(tài)改變，如果讀數(shù)發(fā)生在計(jì)數(shù)器變化的瞬間，則只有一個(gè)位會(huì)有問(wèn)題，所以在讀操作中只有兩種可能結(jié)果，而且這兩種可能結(jié)果是計(jì)數(shù)器正好在讀以前的值和正好在讀以后的值時(shí)。因?yàn)樽x正好發(fā)生在計(jì)數(shù)器產(chǎn)生變化的瞬間，你不可能確切地說(shuō)哪個(gè)值是正確的，即兩者都應(yīng)該認(rèn)為是有效的。

另一個(gè)避免異步時(shí)鐘問(wèn)題的方法是忽略較慢的時(shí)鐘，并用較快的時(shí)鐘來(lái)采樣。這需要數(shù)據(jù)有特殊的成幀特性(例如，具有一個(gè)前導(dǎo)碼)來(lái)定義數(shù)據(jù)邊界。這是一個(gè)常用的方法，在差不多每一個(gè)具有UART形式的嵌入式系統(tǒng)都有應(yīng)用。該方法是：采用一個(gè)非常快的時(shí)鐘，比如數(shù)據(jù)符號(hào)率的16倍，在連續(xù)發(fā)現(xiàn)15個(gè)起始字符后開始采樣，則下一個(gè)16(左右)位相當(dāng)于送的第一個(gè)位，再下一個(gè)16(左右)位對(duì)應(yīng)下一個(gè)位，并以次類推。