FPGA/CPLD数字电路设计经验分享

### FPGA/CPLD数字电路设计经验分享 #### 一、基础知识概述 在FPGA/CPLD数字电路设计中，时序设计是衡量系统性能的重要指标之一。随着设计复杂度的增加，时序控制的抽象度也随之提升，这使得时序控制在设计过程中变得更为复杂。然而，基于对RTL级电路时序模型的理解，并采用合理的设计方法，能够有效提高复杂数字系统的后仿真通过率，并使系统的工作频率达到较高的水平。 #### 二、时序设计的核心概念 ##### 2.1 建立时间和保持时间 - **建立时间（Setup Time）**：指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，数据可能无法正确地被打入触发器。 - **保持时间（Hold Time）**：指触发器的时钟信号上升沿之后，数据必须继续稳定不变的时间。如果保持时间不足，数据同样可能无法正确地被打入触发器。 - **重要性**：为了确保数据稳定传输，建立时间和保持时间必须得到满足。虽然在某些情况下这两个时间可以为零，但在实际应用中通常是不可忽略的。开发工具能够自动计算这些时间值，帮助设计师优化设计。 ##### 2.2 时钟偏斜及其影响 - **时钟偏斜**：指时钟信号到达不同触发器的时间差。这种差异可能会影响建立时间和保持时间，进而影响整体性能。 - **考虑要点**： - 在考虑建立时间时，应考虑时钟树向前偏斜的情况。 - 在考虑保持时间时，应考虑时钟树向后偏斜的情况。 - 最大延迟用于检查建立时间，而最小延迟则用于检查保持时间。 ##### 2.3 时序设计的挑战 - **建立时间约束**：与时钟周期有关。当系统无法在高频时钟下工作时，降低时钟频率可以帮助系统正常运行。 - **保持时间问题**：这是一个与时钟周期无关的参数。如果设计不合理，可能导致布局布线工具无法创建高质量的时钟树，从而无论怎样调整时钟频率都无法解决问题。 #### 三、FPGA中的竞争和冒险现象 ##### 3.1 信号延迟 - **原因**：信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时会有一定的延时，这种延时受多种因素影响，包括连线长度、逻辑单元数量、制造工艺、工作电压和温度等。 - **结果**：当多个信号同时变化时，由于不同的延时会导致组合逻辑输出出现错误的尖峰信号，即所谓的“毛刺”。 ##### 3.2 冒险现象的处理 - **毛刺的危害**：时钟端口、清零和置位端口对毛刺极其敏感，任何一点毛刺都可能导致系统错误。 - **消除方法**： - **使用格雷码计数器**：相比于普通二进制计数器，格雷码计数器每次只有一位输出跳变，可以有效地消除竞争冒险。 - **采用同步电路**：通过确保所有信号变化都在时钟边沿发生，可以最大限度地减少毛刺的影响。 #### 四、总结 在FPGA/CPLD数字电路设计中，深入理解时序设计的基本原理对于确保系统的可靠性和性能至关重要。通过掌握建立时间和保持时间的概念、了解时钟偏斜的影响以及学会如何处理毛刺，可以显著提高设计的质量。此外，合理的时序设计不仅能够提高电路的后仿真通过率，还能确保系统能够在较高频率下稳定运行。这些知识和技术对于成功实现复杂的数字系统具有重要意义。