FPGA中竞争冒险问题的研究

什么是竞争冒险？

1 引言
    
现场可编程门阵列(FPGA)在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。
FPGA可以替代其他PLD或者各种中小规模数字逻辑芯片在数字系统中广泛应用，也是实现具有不同逻辑功能ASIC的有效办法。FPGA是进行原型设计最
理想的载体，原型机的最初框架和实现通过PFGA来验证，可以降低成本、缩短开发周期。利用FPGA的可重配置功能，可以在使用过程中，在不改变所设计的
设备的硬件电路情况下，改变设备的功能。但和所有的数字电路一样，FPGA电路中也存在毛刺问题。它的出现会影响电路工作的可靠性、稳定性，严重时会导致
整个数字系统的误动作和逻辑紊乱。在此详细论述了解决此问题的多种方法。

2 FPGA的功能和结构特点
2.1 FPGA的功能

FPGA的功能由逻辑结构的配置数据决定，在工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上。使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外
部加载配置数据，这些配置数据可以存放在片外的EPROM或其他存储体上，人们可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能。

图1     实际逻辑电路

图2 LUT的实现方式

2.2 FPGA的结构特点
   
FPGA使用了可编程的查找表(Look Up Table
,LUT)结构，LUT是可编程的最小逻辑构成单元。大部分FPGA采用基于SRAM的查找表逻辑形成结构，就是用SRAM(静态随机存储器)来构成逻辑
函数发生器。图1、2分别是4输入LUT的实际逻辑电路和LUT的实现方式。FLEX10KE系列器件的结构和工作原理在Altera的FPGA器件中具
有典型性，下面以此类器件为例，介绍PFGA的结构。其内部结构如图3所示:

图3      FLEX10KE内部结构

FLEX10KE内部结构包含嵌入式阵列块(EAB，Embedded Array Block)、逻辑阵列块(LAB，Logic Array Block)、快速通道(Fast Track)互连和输入/输出单元(I/O Element,IOE)四部分。
(1) 嵌入式阵列用来实现各种存储器及复杂的逻辑功能，如数字信号处理、微控制器等。嵌入式阵列由一系列嵌入式阵列块(EAB)构成。EAB是在输入输出口上具有寄存器的能变形的RAM块。
(2)

逻辑阵列用来实现普通逻辑功能，如计数器、加法器、状态机等。逻辑阵列由一系列逻辑阵列块(LAB)构成。每个LAB包含八个LE和一些局部互连。LAB

构成了FLEX10KE的“粗粒度”结构，有利于EDA软件进行布局布线，优化器件的利用，提高性能。LE是FLEX10KE结构中的最小单元，每个LE
含有一个4输入查找表(LUT)、一个带有同步使能的可编程触发器(Programmable Register)、一个进位链(Carry
Chain)和一个级连链(Cascade)。每个LE都能驱动LAB局部互连(LAB Local
Interconnect)和快速通道互连(Fast Track Interconnect)。LE的内部结构如图4所示。

图4     逻辑单元(LE)内部结构

(3) 器件内部信号的互连和器件引出端之间的信号互连由快速通道(FastTrack)连线提供，FastTrack遍布于整个FLEX10KE器件，是一系列水平和垂直走向的连续式布线通道。FastTrack互连是一系列贯通器件行、列的快速连接通道。
(4) I/O引出端由一些I/O单元(IOE)驱动。IOE位于快速通道的行和列的末端，每个IOE有一个双向I/O缓冲器和一个既可做输入寄存器也可做输出寄存器的触发器。

3 竞争冒险
    在组合电路中，当逻辑门有两个互补输入信号同时向相反状态变化时，输出端可能产生过渡干扰脉冲的现象，称为竞争冒险。

3.1 FPGA中产生竞争冒险的原因

信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等
条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺
序，并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为“毛刺”。如果一个组合逻辑电路中有“毛刺”出现，就说明该电路存在“冒险”。
(与分立元件不同，由于PLD内部不存在寄生电容电感，这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递，因此毛刺现象在PLD、FPGA 设计中尤为突出)

3.2 FPGA中竞争冒险的危害

图5给出了一个逻辑冒险的例子，从图6的仿真波形可以看出，“A、B、C、D”四个输入信号经过布线延时以后，高低电平变换不是同时发生的，这导致输出信
号“OUT”出现了毛刺。而当数据完全稳定的时候，毛刺信号也就自然消失了。可以概括的讲，只要输入信号不同时变化，(经过内部走线)组合逻辑必将产生毛
刺。将它们的输出直接连接到时钟输入端、清零或置位端口的设计方法是错误的，这可能会导致严重的后果。而现在FPGA设计中的信号往往是由时钟控制的，多
数据输入的复杂运算系统，甚至每个数据都由相当多的位数组成。这时，每一级的毛刺都会对结果有严重的影响，如果是多级的设计，那么毛刺累加后甚至会影响整
个设计的可靠性和精确性。时钟端口、清零和置位端口对毛刺信号十分敏感，任何一点毛刺都可能会使系统出错，因此判断逻辑电路中是否存在冒险以及如何避免冒
险是设计人员必须要考虑的问题。

图5 一个逻辑冒险的例子

图6 仿真波形

任何组合电路、反馈电路和计数器都可能是潜在的毛刺信号发生器。毛刺并不是对所有输入都有危害，如触发器的Ｄ输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并满足
数据的建立保持时间，就不会对系统造成危害。而当毛刺信号成为系统的启动信号、控制信号、握手信号，触发器的清零信号(CLEAR)、预置信号
(PRESET)、时钟输入信号(CLK)或锁存器的输入信号就会产生逻辑错误。任何一点毛刺都可能使系统出错。

3 毛刺的消除
3.1 利用冗余项消除毛刺

函数式和真值表所描述的是静态逻辑，而竞争则是从一种稳态到另一种稳态的过程。因此竞争是动态过程，它发生在输入变量变化时。此时，修改卡诺图，增加多余
项，在卡诺图的两圆相切处增加一个圆，可以消除逻辑冒险。但该法对于计数器型产生的毛刺是无法消除的。<

3.2 采用格雷码
    我们可以通过改变设计，破坏毛刺产生的条件，来减少毛刺的发生。例如，在数字电路设计中，常常采用格雷码计数器取代普通的二进制计数器，这是因为格雷码计数器的输出每次只有一位跳变，消除了竞争冒险的发生条件，避免了毛刺的产生。

3.3 采样法
    由于冒险出现在变量发生变化的时刻，如果待信号稳定之后加入取样脉冲，那么就只有在取样脉冲作用期间输出的信号才能有效。这样可以避免产生的毛刺影响输出波形。
    一般说来，冒险出现在信号发生电平转换的时刻，也就是说在输出信号的建立时间内会发生冒险，而在输出信号的保持时间内是不会有毛刺信号出现的。如果在输出信号的保持时间内对其进行“采样”，就可以消除毛刺信号的影响。

有两种基本的采样方法:一种方法是在输出信号的保持时间内，用一定宽度的高电平脉冲与输出信号做逻辑“与”运算，由此获取输出信号的电平值。图7说明了这
种方法，采样脉冲信号从输入引脚“SAMPLE”引入。油?的仿真波形上可以看出，毛刺信号出现在“TEST”引脚上，而“OUT”引脚上的毛刺已被消除
了。

图7   采样法一

图8   采样法一仿真波形

上述方法的一个缺点是必须人为的保证sample信号必须在合适的时间中产生，另一种更常见的方法是利用D触发器的D输入端对毛刺信号不敏感的特点，在输
出信号的保持时间内，用触发器读取组合逻辑的输出信号，这种方法类似于将异步电路转化为同步电路。图9给出了这种方法的示范电路，图
10是仿真波形。在仿真时，我们也可能会发现在FPGA器件对外输出引脚上有输出毛刺，但由于毛刺很短,加上PCB本身的寄生参数,大多数情况下,毛刺通
过PCB走线,基本可以自然被虑除，不用再外加阻容滤波。

图9     采样法二

图10      采样法二仿真波形

3.4 吸收法  
    增加输出滤波，在输出端接上小电容Ｃ可以滤除毛刺，图11所示。但输出波形的前后沿将变坏，在对波形要求较严格时，应再加整形电路，该方法不宜在中间级使用。

图11     吸收法消除毛刺图

3.5 延迟办法

因为毛刺最终是由于延迟造成的，所以可以找出产生延迟的支路。对于相对延迟小的支路，加上毛刺宽度的延迟可以消除毛刺。当需要对某一信号作一段延时时，初
学者往往在此信号后串接一些非门或其它门电路，此方法在分离电路中是可行的。但在FPGA中，开发软件在综合设计时会将这些门当作冗余逻辑去掉，达不到延
时的效果。用Altera公司的
MaxplusII开发FPGA时，可以通过插入一些LCELL原语或调用延时线模块来产生一定的延时，但这样形成的延时在FPGA芯片中并不稳定，会随
温度等外部环境的改变而改变，因此并不提倡这样。在此，可以用高频时钟来驱动一移位寄存器，待延时信号作数据输入，按所需延时正确设置移位寄存器的级数，
移位寄存器的输出即为延时后的信号。在此以实现双口RAM的读写时序中IDT7132的读时序为例，时序图如图12所示。无论用CE还是OE来控制读取，
都需要CE或OE保持一段低电平。令OE保持低电平，CE平时为高电平，读双口RAM时触发CE变为低电平，延迟一小段时间再恢复高电平。本设计产生这段
延时的方法是用高频计数器产生，具体方法为:在FPGA中设计一个计数器，取系统可用的高频时钟(周期小于所需延时)驱动它计数，计到设定好的终值时产生
触发脉冲。不同的计数终值可以产生不同的延时。此方法所产生的延时为高频时钟周期的整数倍，若高频时钟周期与所需延时相比很小，则延时较精确，否则只能做
一粗略的延时。

图12     双口RAM IDT7132读操作时序图

4 FPGA设计中避免毛刺的其他注意事项
4.1 电路选用
    要用寄存器和触发器设计电路，尽量不要用锁存器，因它对输入信号的毛刺太敏感。如果坚持用锁存器设计必须保证输入信号绝对没有毛刺，且满足保持时间。

4.2 译码器
    设计设计译码逻辑电路时必须十分小心，因为译码器和比较器本身会产生尖峰，容易产生毛刺，把译码器或比较器的输出直接连到时钟输入端或异步清除端，会造成严重的后果。

4.3 避免隐含RS触发器

应该尽量避免隐含RS触发器的出现。一般要控制输出被直接反馈到输入端，采用反馈环路会出现隐含RS触发器，其对输入尖峰和假信号很敏感，输入端有任何变
化都有可能使输出值立刻改变，此时易造成毛刺的产生，导致时序的严重混乱。一旦具有隐含的RS触发器，加锁存器消除毛刺是不能解决问题的。此时只有通过全
面修改电路来从根本上解决。

4.4 避免使用多时钟设计

每一个模块中只用一个时钟，避免使用多时钟设计，同时避免使用主时钟分频后的二次时钟作为时序器件的时钟输入，因为二次时钟相对于一次时钟可能存在过大的
时钟歪斜。对所有模块的输入时钟、输入信号、输出信号都用Ｄ触发器或寄存器进行同步处理，即输出信号直接来自触发器或寄存器的输出端。这样可以消除尖峰和
毛刺信号。不论是控制信号还是地址总线信号、数据总线信号，都要采用另外的寄存器，以使内部歪斜的数据变成同步数据。这些表面上看似乎无用的操作可以大大
提高电路系统的性能。

4.5 避免使用延迟线
    应该尽量避免使用延迟线，因它对工艺过程的变化极为敏感，会大大降低电路的稳定性和可靠性，并将为测试带来麻烦。

4.6 充分利用资源
    大部分FPGA器件都为时钟、复位、预置等信号提供特殊的全局布线资源，要充分利用这些资源。这样可以减少电路中的毛刺并且大大提高设计电路的性能.

4.7 不要期望仿真器替你找到毛刺错误

注意仿真结果和实际综合的电路的不一致性。无论是时序电路还是异步逻辑电路，其行为与其仿真器结果都是不完全一样的。特别是异步逻辑电路，仿真结果将会隐
藏竞争冒险和毛刺现象，与实际行为相差较远。故在FPGA设计中，对每一个逻辑门、每一行VHDL
(Verilof)语言，必须完全理解，不要期望仿真器替你找到错误。
   
使用FPGA开发数字电路，可以大大缩短设计时间、减少PCB
面积、提高系统的可靠性。它的这些优点使得FPGA技术得到飞速的发展，已经在通信、电子、信号处理、工业控制等领域被广泛应用。随着FPGA容量的增
加，SOPC
(可编程芯片上系统)SOPC(对信号的处理和整个系统的控制)的应用时代即将到来。SOPC既有嵌入处理器、I/O电路和大规模嵌入存储器，也有
CPLD／FPGA，用户可以选择。同时也可以选择PLD公司提供的FPGA IP Intellectual
Property内核。使用IP核能保证系统级芯片的开发效率、质量，并能大大缩短产品开发时间。

5 结束语
    FPGA已成为解决系统级设计的重要选择方案之一。因而毛刺是设计系统中不可忽视的问题，实际电路中它常惹出很多的麻烦。本文结合FPGA的特点，论述了如何解决FPGA设计中的毛刺问题。增强电路的稳定性和可靠性，并为实际电路的测试带来方便。