FPGA/CPLD数字电路设计经验分享

### FPGA/CPLD数字电路设计经验分享 #### 1. 数字电路设计中的几个基本概念 ##### 1.1 建立时间和保持时间 在数字电路设计领域，特别是针对FPGA/CPLD的设计，建立时间和保持时间是评估时序性能的重要指标。这两个参数对于确保数据正确地被触发器捕获至关重要。 **建立时间（Setup Time）**：指的是在触发器的时钟信号上升沿到来之前，数据必须稳定不变的时间。如果建立时间不足，数据将无法在时钟上升沿被正确捕获。 **保持时间（Hold Time）**：指在触发器的时钟信号上升沿之后，数据必须保持稳定不变的时间。如果保持时间不足，数据同样无法被正确捕获。 为了确保数据能够被正确地传输，必须满足建立和保持时间的要求。在某些情况下，这些时间可能是零，这意味着数据可以在时钟信号的任何时刻被稳定地捕获。 在FPGA/CPLD的设计过程中，建立时间的约束通常与时钟周期相关。如果系统在较高的时钟频率下无法正常工作，可以通过降低时钟频率来满足建立时间的要求。相比之下，保持时间是一个与时钟周期无关的参数。如果设计不合理导致布局布线工具无法创建高质量的时钟树，那么无论怎样调整时钟频率都无法满足保持时间的要求，此时可能需要对设计进行较大的修改才能解决问题。 **注意**： - 在考虑建立保持时间时，需要考虑时钟树偏斜的问题。对于建立时间而言，应考虑时钟树向前偏斜的情况；对于保持时间，则应考虑时钟树向后偏斜的情况。 - 在进行后仿真时，通常使用最大延迟来检查建立时间，而最小延迟则用于检查保持时间。 #### 1.2 FPGA中的竞争和冒险现象 在FPGA/CPLD设计中，信号通过内部连线和逻辑单元时会产生一定的延时。这种延时不仅取决于连线的长度和逻辑单元的数量，还受到制造工艺、工作电压和温度等因素的影响。信号的电平转换也需要一定的时间。这些因素会导致多路信号在变化瞬间的输出存在先后顺序，从而可能产生不正确的“毛刺”信号。 **竞争和冒险现象**：当多个信号在同一时间变化时，由于信号传输延时的不同，可能会在组合逻辑电路的输出端产生短暂的错误信号，即所谓的“毛刺”。这种现象被称为“竞争”，而由竞争引起的错误输出则被称为“冒险”。 **处理毛刺的方法**： 1. **改进设计**：通过优化电路设计来避免同时变化的输入信号导致的竞争和冒险问题。例如，使用格雷码计数器替换传统的二进制计数器可以有效地减少毛刺的产生。 2. **使用同步电路**：大多数FPGA/CPLD设计倾向于使用同步电路，这样信号的变化仅发生在时钟沿，从而减少了毛刺的可能性。 3. **利用触发器的特性**：利用D触发器的D输入端对毛刺不敏感的特点，在保持时间内用触发器读取组合逻辑的输出信号，可以有效去除毛刺。 #### 结论 在FPGA/CPLD数字电路设计中，理解和应用建立时间和保持时间的概念对于确保电路的可靠性和性能至关重要。此外，合理处理竞争和冒险现象，通过优化设计策略和采用适当的电路结构，可以显著提升设计质量和系统的整体性能。这些经验和技术的应用对于提高复杂数字系统的设计成功率和工作频率具有重要的意义。