組合邏輯生成的時鐘有哪些危害

組合邏輯生成的時鐘，在FPGA設(shè)計中應(yīng)該避免，尤其是該時鐘扇出很大或者時鐘頻率較高，即便是該時鐘通過BUFG進(jìn)入全局時鐘網(wǎng)絡(luò)。

組合邏輯生成時鐘的典型特征是在網(wǎng)表中我們能夠看到LUT（查找表）的輸出直接連接或通過BUFG連接到時序邏輯單元比如觸發(fā)器的時鐘端口。最直接的危害是組合邏輯可能會產(chǎn)生毛刺（Glitch），從而導(dǎo)致電路功能錯誤?？磦€案例，如下圖所示。由于毛刺的存在，計數(shù)器多計數(shù)了一次，導(dǎo)致錯誤。

從時序角度而言，組合邏輯生成的時鐘會增加時鐘線上的延遲，從而導(dǎo)致過大的Clock Skew，最終造成建立時間和保持時間違例。此外，如果有毛刺，毛刺通常很窄，很可能無法滿足觸發(fā)器的Pulse Width要求。還有的工程中盡管沒有直接把LUT的輸出當(dāng)作時鐘，而是將其通過一個觸發(fā)器之后再用作時鐘，這可以過濾掉毛刺，但同樣會增加時鐘線上的延遲，導(dǎo)致Clock Skew過大。因此，在FPGA設(shè)計中，要避免此類時鐘。

拿到一個網(wǎng)表，如何判定設(shè)計中是否包含此類時鐘呢？從上面的描述可以看到，這類時鐘要么是LUT輸出，要么是觸發(fā)器輸出，這是第一個特征。第二個特殊，既然是時鐘，時鐘網(wǎng)線的類型就是LOCAL_CLOCK，根據(jù)這兩點(diǎn)就能找到時鐘管腳，相應(yīng)的Tcl腳本如下圖所示。

代碼第2行是找到所有的時鐘網(wǎng)線，第3行對該時鐘網(wǎng)線進(jìn)行過濾篩選，凡是與網(wǎng)線相連的pin是輸出端口且其REF_PIN_NAME是O（對應(yīng)LUT輸出）或Q（對應(yīng)觸發(fā)器輸出）的，即為目標(biāo)時鐘端口。代碼第4行則是將找到的對象以圖形界面方式顯示出來。

找到了這類時鐘，如何優(yōu)化呢？如果這類時鐘是在MMCM或PLL可生成頻率范圍內(nèi)，那么建議用MMCM或PLL生成，尤其是該時鐘扇出比較大的時候。如果MMCM或PLL無法生成，且時鐘頻率很低，例如低于5MHz，而設(shè)計已經(jīng)到了后期，不太可能大范圍修改，那么嘗試是否可能將該時鐘驅(qū)動的邏輯都放在一個時鐘區(qū)域內(nèi)，同時保證時鐘源也在該時鐘區(qū)域內(nèi)，這可通過手工布局的方式（畫Pblock）實(shí)現(xiàn)。這樣做對于降低Clock Skew會有些幫助。
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