數(shù)字電路中的競爭冒險現(xiàn)象

門電路的兩個輸入信號同時向相反的邏輯電平跳變的現(xiàn)象叫做 競爭 ，這種競爭可能在電路的輸出端產(chǎn)生尖峰脈沖，這種現(xiàn)象稱為 競爭冒險 。

競爭冒險產(chǎn)生的根本原因是輸入信號通過兩條或兩條以上的路徑傳輸?shù)捷敵龆?，每條路徑的延時不同，從而導(dǎo)致信號不能同時到達(dá)輸出端。接下來，我們就通過幾個簡單的電路了解一下競爭冒險現(xiàn)象。

1、移位寄存器

首先來看下面一個電路，這個電路簡單描述了移位寄存器的工作原理，當(dāng)時鐘上升沿來臨的時候，數(shù)據(jù)會整體向右移動一位。但是現(xiàn)在的問題是：每次時鐘有效時，為什么數(shù)據(jù)只移動一位？

要想解釋上面的問題，就需要具體了解一下構(gòu)成移位寄存器的最小單元—D觸發(fā)器的行為。下圖是一個D觸發(fā)器的原理圖，當(dāng)有效時鐘邊沿到來時，其輸入端D的值會存入輸出端Q。

對上述D觸發(fā)器進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如下圖所示，可以看出，當(dāng)時鐘上升沿到來時，觸發(fā)器的輸出Q會等于輸入D。

接下來，對D觸發(fā)器進(jìn)行更接近真實情況的門級仿真，通過仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)時鐘上升沿到來時，觸發(fā)器的輸出并沒有立馬發(fā)生變化，而是等待一段時間之后其輸出Q才會與輸入D相等。

這一段延時稱為觸發(fā)器的 Tco時間，即輸出延時，指從觸發(fā)器有效邊沿到來到觸發(fā)器輸出有效的時間差 。這也是移位寄存器每次只能移動一位的原因。

2、計數(shù)器

接下來再看另一個電路—計數(shù)器電路，該電路由多個邏輯門組合而成，可以實現(xiàn)十六進(jìn)制計數(shù)功能。

對該電路進(jìn)行功能仿真，可以看出電路功能正常。

同樣，對電路進(jìn)行門級仿真，結(jié)果如下，將仿真圖放大可以發(fā)現(xiàn)，在計數(shù)值由0001變?yōu)?010的過程中，出現(xiàn)了短暫的0011的計數(shù)值。

之所以出現(xiàn)0011這樣的計數(shù)值，是因為每一位分別由多個不同的邏輯門電路控制，因此，每一位的變化存在一定的延時，這一延時稱為 Tpd時間，即傳輸延時，指****從輸入信號有效到輸出信號穩(wěn)定時的時間差 。

但是，不同位的控制電路的延時是不同的，以上面的現(xiàn)象為例，該計數(shù)器第三位的控制電路的延時要比第四位短，因此，第三位先變?yōu)?，第四位后變?yōu)?，兩個變化之間的延時差就導(dǎo)致出現(xiàn)了0011這樣的現(xiàn)象，這就是競爭冒險現(xiàn)象。

以當(dāng)前的時鐘頻率，上面的現(xiàn)象是不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題的，因為不穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時間非常短，不會被時鐘采樣到，但是，如果時鐘頻率太高，該狀態(tài)就有可能被采樣到，導(dǎo)致系統(tǒng)出錯，這就是某些代碼運(yùn)行時時鐘頻率不能太高的原因之一。

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