FPGA器件的競爭與冒險現(xiàn)象及消除方法

摘　要:現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)由于其內(nèi)部構(gòu)成,容易引起競爭冒險現(xiàn)象,從而使電路工作的穩(wěn)定性大受影響,電路也容易產(chǎn)生誤動作,以致產(chǎn)生意想不到的后果。本文詳細(xì)介紹了冒險現(xiàn)象的產(chǎn)生,并結(jié)合實例介紹了消除競爭冒險現(xiàn)象的各種方法。這些方法主要通過改變設(shè)計,破壞毛刺產(chǎn)生的條件來減少毛刺的發(fā)生。他能夠使FPGA設(shè)計中毛刺的出現(xiàn)幾率減到最小,大大減少了邏輯錯誤,加強(qiáng)了電路工作的穩(wěn)定性,有效地抑制了干擾,使設(shè)計也更加優(yōu)化、合理。

關(guān)鍵詞:FPGA;競爭冒險;毛刺;邏輯錯誤

在數(shù)字電路設(shè)計中,經(jīng)常需要考慮競爭和冒險現(xiàn)象帶來的問題。尤其是采用FPGA器件后,這個問題尤為明顯,為了改善系統(tǒng)性能,加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,有效地抑制干擾,使得設(shè)計更加優(yōu)化、合理,本文將對競爭與冒險帶來的問題與消除方法加以詳細(xì)討論。

1　FPGA中的冒險現(xiàn)象

在使用分立元件設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)時,由于PCB走線時存在分布電感和電容,所以幾納秒的毛刺將被自然濾除,而在PLD內(nèi)部無分布電感和電容,所以在PLD/FPGA設(shè)計中,競爭和冒險問題將變得尤為突出,電路工作的穩(wěn)定性也大受影響。

由于信號在FPGA器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時都有一定的延時。延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān),同時還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。另外信號高低電平的轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時間。所以多路信號的電平值發(fā)生變化時,在信號變化的瞬間,組合邏輯的輸出有先后順序,并不是同時變化,往往會出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號,這些尖峰信號稱為“毛刺”。如果一個組合邏輯電路中有“毛刺“出現(xiàn),就說明該電路存在“冒險”。


由于無法保證所有連線的長度一致,所以即使4個輸入信號在輸入端同時變化,但經(jīng)過PLD內(nèi)部的走線到達(dá)或門的時間也是不一樣的,必然產(chǎn)生毛刺。概括來說,只要輸入信號同時變化,經(jīng)過內(nèi)部走線后,組合邏輯必將產(chǎn)生毛刺。如將他們的輸出直接連接到時鐘輸入端、清零或置位端口,就可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。所以在設(shè)計電路時必須檢查設(shè)計中所有時鐘、清零和置位等對毛刺十分敏感的輸入端口,確保輸入不會含有任何毛刺。

2　毛刺的消除

可以通過改變設(shè)計,破壞毛刺產(chǎn)生的條件來減少毛刺的發(fā)生。毛刺并不是對所有的輸入都有危害,對于D觸發(fā)器的D輸入端,只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的上升沿并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間,就不會對系統(tǒng)造成危害,因此可認(rèn)為D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺不敏感。根據(jù)這個特性,應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)中盡可能采用同步電路,因為同步電路信號的變化都發(fā)生在時鐘沿,只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的沿口并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間,就不會對系統(tǒng)造成危害。由于毛刺很短,多為幾納秒,基本上都不可能滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間。

這種方法可以大大減少毛刺,但他并不能完全消除毛刺,必須手工修改電路來去除毛刺。一般,冒險出現(xiàn)在信號發(fā)生電平轉(zhuǎn)換的時刻,即在輸出信號的建立時間內(nèi)會發(fā)生冒險,而在輸出信號的保持時間內(nèi)是不會有毛刺信號出現(xiàn)的。如果在輸出信號的保持時間內(nèi)對其進(jìn)行“采樣”,就可以消除毛刺信號的影響。

“采樣”可通過兩種方法實現(xiàn):一種是在輸出信號的保持時間內(nèi),用一定寬度的高電平脈沖與輸出信號做邏輯“與”運(yùn)算,由此獲取輸出信號的電平值。

TEST端引出的是一個帶有毛刺的信號,由于有采樣脈沖SAMPLE的輸入,在SAMPLE為高電平前,輸出端與門關(guān)閉,OUT端沒有輸出。從前面的分析看出,由于毛刺信號主要存在于輸出信號的建立時間內(nèi),所以可通過控制SAMPLE信號在TEST信號建立時間后再開放與門的方法來消除毛刺。從圖4所示仿真圖中可以看出OUT端得到的不帶毛刺的信號。



上述方法的一個缺點是必須人為地保證SAMPLE信號必須在合適的時間中產(chǎn)生,否則仍不能得到滿意的結(jié)果。另一種實現(xiàn)方法是可利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺信號不敏感的特點,在輸出信號的保持時間內(nèi),用D觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號,這種方法類似于將異步電路轉(zhuǎn)化為同步電路。圖5給出了應(yīng)用這種方法的電路實例。


從以上分析看出,通過上述的電路處理可以有效減少毛刺的產(chǎn)生,從而減少邏輯錯誤,提高芯片工作的穩(wěn)定性。

3　結(jié)　語
FPGA在數(shù)字電路設(shè)計中雖功能強(qiáng)大,修改靈活,但內(nèi)部易產(chǎn)生冒險而出現(xiàn)工作不穩(wěn)定情況,采取以上措施,可有效減少毛刺的產(chǎn)生,從而減少邏輯錯誤,大大提高芯片工作的穩(wěn)定性。