同步電路設計：將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時鐘信號同步

同步電路設計將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時鐘信號同步，并通過這種理想化的方式降低電路設計難度。同步電路設計是 FPGA 設計的基礎。

01

觸發(fā)器

觸發(fā)器（Flip Flop，F(xiàn)F）是一種只能存儲1個二進制位（bit，比特）的存儲單元，并且具備記憶功能，可以用作時序邏輯電路的記憶元件。FPGA邏輯單元內的D觸發(fā)器（D-FF）具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即"0"和"1"，在一定的外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，就是一種在時鐘的上升沿（或下降沿）將輸入信號的變化傳送至輸出的邊沿觸發(fā)器。D-FF的符號和真值表如圖1所示。D-FF在CLK信號（時鐘）的上升沿將輸入值傳送至輸出Q。

圖 1 D 觸發(fā)器

02

建立時間和保持時間

時鐘是整個電路最重要、最特殊的信號，系統(tǒng)內大部分器件的動作都是在時鐘的跳變沿上進行,這就要求時鐘信號時延差要非常小, 否則就可能造成時序邏輯狀態(tài)出錯；因而明確FPGA設計中決定系統(tǒng)時鐘的因素，盡量較小時鐘的延時對保證設計的穩(wěn)定性有非常重要的意義。

建立時間（Tsu：set up time）是指在時鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時間，如果建立的時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；

保持時間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時間，如果保持時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。

CMOS 工藝下的D-FF結構如圖2所示，先由傳輸門和兩個反相器組成一個循環(huán)電路（鎖存器），再由前后兩級鎖存器按主從結構連接而成。這里的傳輸門起開關的作用，隨著CLK的狀態(tài)變化切換開關。只看輸出的話，前級鎖存器的值會將時鐘輸入的變化井然有序地傳入后級鎖存器。為了防止時鐘信號變化時輸入信號發(fā)生冒險，從而使穩(wěn)定的輸入信號進入前級鎖存器，前級鎖存器的時鐘相位應該與產生輸入信號的電路時鐘反向。圖3 為 D-FF 的原理圖。

圖 2D-FF 的電路結構

圖 3D-FF 的原理

當CLK=0主鎖存器工作）時，位于前級的主鎖存器將輸入D的值保存進來，后級的從鎖存器則維持上一時鐘周期的數(shù)據(jù)。由于此時前級和后級反相器環(huán)路之間的傳輸門是關閉狀態(tài)，所以前級的信號不會傳送到后級。當CLK=1（從鎖存器工作）時，前級反相器環(huán)路中保存的數(shù)據(jù)會傳輸?shù)胶蠹?，同時輸入D的信號會被隔離在外。此時如果前級反相器環(huán)路中的信號沒有循環(huán)一圈以上，就會出現(xiàn)如圖4所示的在 0 和 1 之間搖擺的中間電位，這就是所謂的亞穩(wěn)態(tài)（metastable）。由于亞穩(wěn)態(tài)時間比延遲時間長，在該階段讀取數(shù)據(jù)可能會引入錯誤，所以我們引入建立時間（setup time）來約束在時鐘上升沿到來前輸入 D 保持穩(wěn)定 的時間。

當 CLK=1 時，如果輸入 D 在傳輸門關閉前就發(fā)生變化，那么本該 在下一周期讀取的數(shù)據(jù)就會提前進入鎖存器，從而引起反相器環(huán)路振蕩 或產生亞穩(wěn)態(tài)。因此在 CLK=1 之后也需要輸入 D 維持一定的時間，我 們稱之為保持時間（hold time）約束。

為了正確地從輸入讀取數(shù)據(jù)，并正確地將數(shù)據(jù)輸出，F(xiàn)PGA 內所有 的 FF 都要遵守建立時間和保持時間等時序上的約束。

圖4建立時間和保持時間

03

時序分析

從硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）編寫的RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）設計代碼生成網(wǎng)表（邏輯門間的配線信息）的過程稱為邏輯綜合。最終決定邏輯綜合所生成的電路網(wǎng)表在FPGA中以何種方式實現(xiàn)的兩道工序稱為布局和布線。FPGA內部規(guī)則地擺放著大量設計好的電路及電路間配線，用以實現(xiàn)用戶設計。所謂 FPGA 的設計流程，就是決定專為FPGA綜合生成的電路擺放在哪兒、電路之間以什么樣的布線路徑相連的過程。

為了保證設計好的電路能夠正常工作，不單要保證功能（邏輯）正確，還必須要確保時序正確。而時序分析是以分析時間序列的發(fā)展過程、方向和趨勢，預測將來時域可能達到的目標的方法。此方法運用概率統(tǒng)計中時間序列分析原理和技術，利用時序系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相關性，建立相應的數(shù)學模型，描述系統(tǒng)的時序狀態(tài)，以預測未來。在 FPGA 的設計流程中，從邏輯綜合到布局布線，每一步都會對生成的電路進行評估分析。由于基于仿真的方式分析每個邏輯值并進行動態(tài)時序分析的方法過于耗時，所以 FPGA 的性能評估主要采用靜態(tài)時序分析（Static Timing Analysis，STA）。STA只需要提供電路網(wǎng)表就可以進行全面的評估驗證，并且原理上只需遍歷一次電路的拓撲結構，因此也具有分析速度快的優(yōu)點。最近，隨著電路規(guī)模不斷增大，不僅FPGA其他 EDA 工具也采用 STA 的方式來驗證電路是否能夠按照要求的速度正確工作。時序分析包含對設計電路的建立時間分析和保持時間分析，并能夠以此進行時序驗證。時序驗證主要是評估 FPGA 上設計電路的延遲是否滿足時序約束（時序上的設計需求）。布線的延遲取決于 FPGA 設計電路的擺放位置和所使用的布線，也就是說取決于布局布線工具的編譯結果。當 FPGA 的性能和邏輯門資源富余時編譯過程較為容易；相反，當設計電路的規(guī)模和 FPGA 片上資源相當時，布局布線過程所需時間可能會很長。時序分析必須檢查所有路徑上邏輯延遲和布線延遲的時序余裕，確保它們滿足建立時間和保持時間的時序約束。

04

單相時鐘同步電路

布局布線上具有一定自由度的 FPGA 都以同步電路設計方式為主， 而同步電路可以使用STA進行時序分析和驗證。STA具有驗證速度高的優(yōu)點，但對電路結構有一定的要求：延遲分析的起點和終點必須是基于同一時鐘的FF，從而可以通過累加起點和終點間的延遲來計算、驗證每條路徑的總延遲。因為各條路徑上的布線長度長短不一，所以信號的延遲會不同，輸出數(shù)據(jù)變化的時間點也會有所差別。因此如圖5所示，F(xiàn)PGA設計中的輸入信號會先被送到FF，輸出信號則必須從FF引出，并且所有FF都由同相的時鐘驅動。這種設計屬于由同一時鐘的同一邊沿同步動作的電路類型，而反相時鐘（相位反轉的時鐘或反方向的邊沿）不屬于此類?；旧?，采用單一時鐘進行同步是較為理想的選擇。

同步設計的一個前提是所有FF都必須同時接收到時鐘信號，而現(xiàn)實中時鐘信號的布線非常長，時鐘信號驅動的負荷（扇出數(shù)）、布線延遲等原因會導致出現(xiàn)時間差，因此很難嚴格地滿足上述條件。這種時鐘信號到達時間的錯位稱為時鐘偏移（skew）。另外，由于時鐘振蕩器的 變動或信號變形，時鐘邊沿會偏離平均位置，這種情況稱為時鐘抖動（jitter）。為了保證所有 FF 的輸入時鐘信號同步，需要將時鐘偏移和時 鐘抖動控制在一定范圍之內。

圖5 單相時鐘同步電路

時鐘偏移和邏輯門電路的延遲一樣，會對時鐘周期的設定產生影響。因此時鐘設計是集成電路時序設計的重要一環(huán)。而 FPGA 上已經(jīng)提前實現(xiàn)好了多層時鐘樹結構，并且通過驅動能力強的專用布線（global buffer）將時鐘低偏移地連接到整個芯片的FF 上，因此在時鐘設計上要 比 ASIC 容易很多。

責任編輯：xj

原文標題：理解FPGA的基礎知識——同步電路設計

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