設(shè)計(jì)PLD/FPGA時(shí)常用的時(shí)鐘類型

無淪是用離散邏輯、可編程邏輯，還是用全定制硅器件實(shí)現(xiàn)的任何數(shù)字設(shè)計(jì)，為了成功地操作，可靠的時(shí)鐘是非常關(guān)鍵的。設(shè)計(jì)不良的時(shí)鐘在極限的溫度、電壓或制造工藝的偏差情況下將導(dǎo)致錯(cuò)誤的行為，并且調(diào)試?yán)щy、花銷很大。 在設(shè)計(jì)PLD/FPGA時(shí)通常采用幾種時(shí)鐘類型。時(shí)鐘可分為如下四種類型：全局時(shí)鐘、門控時(shí)鐘、多級(jí)邏輯時(shí)鐘和波動(dòng)式時(shí)鐘。多時(shí)鐘系統(tǒng)能夠包括上述四種時(shí)鐘類型的任意組合。

1．全局時(shí)鐘

對于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來說，全局時(shí)鐘(或同步時(shí)鐘)是最簡單和最可預(yù)測的時(shí)鐘。在PLD/FPGA設(shè)計(jì)中最好的時(shí)鐘方案是：由專用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)的單個(gè)主時(shí)鐘去鐘控設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采用全局時(shí)鐘。PLD/FPGA都具有專門的全局時(shí)鐘引腳，它直接連到器件中的每一個(gè)寄存器。這種全局時(shí)鐘提供器件中最短的時(shí)鐘到輸出的延時(shí)。

圖1 示出全局時(shí)鐘的實(shí)例。圖1 定時(shí)波形示出觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入D[1..3]應(yīng)遵守建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束條件。建立和保持時(shí)間的數(shù)值在PLD數(shù)據(jù)手冊中給出，也可用軟件的定時(shí)分析器計(jì)算出來。如果在應(yīng)用中不能滿足建立和保持時(shí)間的要求，則必須用時(shí)鐘同步輸入信號(hào)(參看下一章“異步輸入”)。

圖1 全局時(shí)鐘

（最好的方法是用全局時(shí)鐘引腳去鐘控PLD內(nèi)的每一個(gè)寄存器，于是數(shù)據(jù)只要遵守相對時(shí)鐘的建立時(shí)間tsu和保持時(shí)間th）

2．門控時(shí)鐘

在許多應(yīng)用中，整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目都采用外部的全局時(shí)鐘是不可能或不實(shí)際的。PLD具有乘積項(xiàng)邏輯陣列時(shí)鐘（即時(shí)鐘是由邏輯產(chǎn)生的），允許任意函數(shù)單獨(dú)地鐘控各個(gè)觸發(fā)器。然而，當(dāng)你用陣列時(shí)鐘時(shí)，應(yīng)仔細(xì)地分析時(shí)鐘函數(shù)，以避免毛刺。

通常用陣列時(shí)鐘構(gòu)成門控時(shí)鐘。門控時(shí)鐘常常同微處理器接口有關(guān)，用地址線去控制寫脈沖。然而，每當(dāng)用組合函數(shù)鐘控觸發(fā)器時(shí)，通常都存在著門控時(shí)鐘。如果符合下述條件，門控時(shí)鐘可以象全局時(shí)鐘一樣可靠地工作：

1.驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的邏輯必須只包含一個(gè)“與”門或一個(gè)“或”門。如果采用任何附加邏在某些工作狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)競爭產(chǎn)生的毛刺。
2.邏輯門的一個(gè)輸入作為實(shí)際的時(shí)鐘，而該邏輯門的所有其它輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對于時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間的約束。

圖2和圖3 是可靠的門控時(shí)鐘的實(shí)例。在 圖2 中，用一個(gè)“與”門產(chǎn)生門控時(shí)鐘，在 圖3 中，用一個(gè)“或”門產(chǎn)生門控時(shí)鐘。在這兩個(gè)實(shí)例中，引腳nWR和nWE考慮為時(shí)鐘引腳，引腳ADD[o．．3]是地址引腳，兩個(gè)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)是信號(hào)D[1..n]經(jīng)隨機(jī)邏輯產(chǎn)生的。

圖2 “與”門門控時(shí)鐘

?

圖3 “或”門門控時(shí)鐘

圖2和圖3 的波形圖顯示出有關(guān)的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。這兩個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的地址線必須在時(shí)鐘保持有效的整個(gè)期間內(nèi)保持穩(wěn)定(nWR和nWE是低電平有效)。如果地址線在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未保持穩(wěn)定，則在時(shí)鐘上會(huì)出現(xiàn)毛刺，造成觸發(fā)器發(fā)生錯(cuò)誤的狀態(tài)變化。另一方面，數(shù)據(jù)引腳D[1．．n]只要求在nWR和nWE的有效邊沿處滿足標(biāo)準(zhǔn)的建立和保持時(shí)間的規(guī)定。

我們往往可以將門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成全局時(shí)鐘以改善設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性。圖4 示出如何用全局時(shí)鐘重新設(shè)計(jì) 圖2 的電路。地址線在控制D觸發(fā)器的使能輸入，許多PLD設(shè)計(jì)軟件，如MAX+PLUSII軟件都提供這種帶使能端的D觸發(fā)器。當(dāng)ENA為高電平時(shí)，D輸入端的值被鐘控到觸發(fā)器中：當(dāng)ENA為低電平時(shí)，維持現(xiàn)在的狀態(tài)。

圖4 “與”門門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)化成全局時(shí)鐘

圖4 中重新設(shè)計(jì)的電路的定時(shí)波形表明地址線不需要在nWR有效的整個(gè)期間內(nèi)保持穩(wěn)定；而只要求它們和數(shù)據(jù)引腳一樣符合同樣的建立和保持時(shí)間，這樣對地址線的要求就少很多。

圖5給出一個(gè)不可靠的門控時(shí)鐘的例子。3位同步加法計(jì)數(shù)器的RCO輸出用來鐘控觸發(fā)器。然而，計(jì)數(shù)器給出的多個(gè)輸入起到時(shí)鐘的作用，這違反了可靠門控時(shí)鐘所需的條件之一。在產(chǎn)生RCO信號(hào)的觸發(fā)器中，沒有一個(gè)能考慮為實(shí)際的時(shí)鐘線，這是因?yàn)樗杏|發(fā)器在幾乎相同的時(shí)刻發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而我們并不能保證在PLD/FPGA內(nèi)部QA,QB,QC到D觸發(fā)器的布線長短一致，因此，如 圖5 的時(shí)間波形所示，在器從3計(jì)到4時(shí)，RCO線上會(huì)出現(xiàn)毛刺（假設(shè)QC到D觸發(fā)器的路徑較短，即QC的輸出先翻轉(zhuǎn)）。