FPGA/CPLD數(shù)字電路原理介紹

當(dāng)產(chǎn)生門控時(shí)鐘的組合邏輯超過一級(jí)時(shí)，證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性變得很困難。即使樣機(jī)或仿真結(jié)果沒有顯示出靜態(tài)險(xiǎn)象，但實(shí)際上仍然可能存在著危險(xiǎn)。通常，我們不應(yīng)該用多級(jí)組合邏輯去鐘控PLD設(shè)計(jì)中的觸發(fā)器。

圖1給出一個(gè)含有險(xiǎn)象的多級(jí)時(shí)鐘的例子。時(shí)鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時(shí)鐘(CLK)和該時(shí)鐘的2分頻 (DIV2)。由圖1的定時(shí)波形圖看出，在兩個(gè)時(shí)鐘均為邏輯1的情況下，當(dāng)SEL線的狀態(tài)改變時(shí)，存在靜態(tài)險(xiǎn)象。險(xiǎn)象的程度取決于工作的條件。 多級(jí)邏輯的險(xiǎn)象是可以去除的。

圖1 有靜態(tài)險(xiǎn)象的多級(jí)時(shí)鐘

圖2給出圖1電路的一種單級(jí)時(shí)鐘的替代方案。圖中SEL引腳和DIV2信號(hào)用于使能D觸發(fā)器的使能輸入端，而不是用于該觸發(fā)器的時(shí)鐘引腳。采用這個(gè)電路并不需要附加PLD的邏輯單元，工作卻可靠多了。 不同的系統(tǒng)需要采用不同的方法去除多級(jí)時(shí)鐘，并沒有固定的模式。

圖2 無靜態(tài)險(xiǎn)象的多級(jí)時(shí)鐘

行波時(shí)鐘

另一種流行的時(shí)鐘電路是采用行波時(shí)鐘，即一個(gè)觸發(fā)器的輸出用作另一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。如果仔細(xì)地設(shè)計(jì)，行波時(shí)鐘可以象全局時(shí)鐘一樣地可靠工作。然而，行波時(shí)鐘使得與電路有關(guān)的定時(shí)計(jì)算變得很復(fù)雜。行波時(shí)鐘在行波鏈上各觸發(fā)器的時(shí)鐘之間產(chǎn)生較大的時(shí)間偏移，并且會(huì)超出最壞情況下的建立時(shí)間、保持時(shí)間和電路中時(shí)鐘到輸出的延時(shí)，使系統(tǒng)的實(shí)際速度下降。

用計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)型觸發(fā)器構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器時(shí)常采用行波時(shí)鐘，一個(gè)觸發(fā)器的輸出鐘控下一個(gè)觸發(fā)器的輸入，參看圖3同步計(jì)數(shù)器通常是代替異步計(jì)數(shù)器的更好方案，這是因?yàn)閮烧咝枰瑯佣嗟暮陠卧接?jì)數(shù)器有較快的時(shí)鐘到輸出的時(shí)間。圖4給出具有全局時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)器，它和圖3功能相同，用了同樣多的邏輯單元實(shí)現(xiàn)，卻有較快的時(shí)鐘到輸出的時(shí)間。幾乎所有PLD開發(fā)軟件都提供多種多樣的同步計(jì)數(shù)器。

圖3 行波時(shí)鐘

圖4 行波時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成全局時(shí)鐘

多時(shí)鐘系統(tǒng)

許多系統(tǒng)要求在同一個(gè)PLD內(nèi)采用多時(shí)鐘。最常見的例子是兩個(gè)異步微處理器器之間的接口，或微處理器和異步通信通道的接口。由于兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間要求一定的建立和保持時(shí)間，所以，上述應(yīng)用引進(jìn)了附加的定時(shí)約束條件。它們也會(huì)要求將某些異步信號(hào)同步化。

圖5給出一個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng)的實(shí)例。CLK_A用以鐘控REG_A，CLK_B用于鐘控REG_B，由于REG_A驅(qū)動(dòng)著進(jìn)入REG_B的組合邏輯，故CLK_A的上升沿相對(duì)于CLK_B的上升沿有建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。由于REG_B不驅(qū)動(dòng)饋到REG_A的邏輯，CLK_B的上升沿相對(duì)于 CLK_A沒有建立時(shí)間的要求。此外，由于時(shí)鐘的下降沿不影響觸發(fā)器的狀態(tài)，所以CLK_A和CLK_B的下降沿之間沒有時(shí)間上的要求。如圖5所示，電路中有兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，可是，在它們之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求是不能保證的。在這種情況下，必須將電路同步化。圖6 給出REG_A的值(如何在使用前)同CLK_B同步化。新的觸發(fā)器REG_C由GLK_B觸控，保證REG_G的輸出符合REG_B的建立時(shí)間。然而，這個(gè)方法使輸出延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期。

圖5 多時(shí)鐘系統(tǒng) (定時(shí)波形示出CLK_A的上升沿相對(duì)于CLK_B的上升沿有建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束條件)

圖6 具有同步寄存器輸出的多時(shí)鐘系統(tǒng)

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)間問題。最好的方法是將所有非同源時(shí)鐘同步化。使用PLD內(nèi)部的鎖項(xiàng)環(huán)(PLL或DLL)是一個(gè)效果很好的方法，但不是所有PLD都帶有PLL、DLL，而且?guī)в蠵LL功能的芯片大多價(jià)格昂貴，所以除非有特殊要求，一般場合可以不使用帶PLL的PLD。 這時(shí)我們需要使用帶使能端的D觸發(fā)器，并引入一個(gè)高頻時(shí)鐘。

圖7 不同源時(shí)鐘

如圖7所示，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，我們引入一個(gè)20MHz時(shí)鐘，將3M和5M時(shí)鐘同步化，如圖8所示。 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。

圖8 同步化任意非同源時(shí)鐘

另外，異步信號(hào)輸入總是無法滿足數(shù)據(jù)的建立保持時(shí)間，容易使系統(tǒng)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，所以也建議設(shè)計(jì)者把所有異步輸入都先經(jīng)過雙觸發(fā)器進(jìn)行同步化。穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要條件，我們不能夠?qū)⑷魏慰赡芎忻痰妮敵鲎鳛闀r(shí)鐘信號(hào)，并且盡可能只使用一個(gè)全局時(shí)鐘，對(duì)多時(shí)鐘系統(tǒng)要注意同步異步信號(hào)和非同源時(shí)鐘。