FPGA設計中毛刺信號解析

在FPGA的設計中，毛刺現象是長(cháng)期困擾電子設計工程師的設計問(wèn)題之一, 是影響工程師設計效率和數字系統設計有效性和可靠性的主要因素。由于信號在FPGA的內部走線(xiàn)和通過(guò)邏輯單元時(shí)造成的延遲,在多路信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出常常產(chǎn)生一些小的尖峰，即毛刺信號，這是由FPGA 內部結構特性決定的。毛刺現象在FPGA的設計中是不可避免的，有時(shí)任何一點(diǎn)毛刺就可以導致系統出錯,尤其是對尖峰脈沖或脈沖邊沿敏感的電路更是如此。

任何組合電路、反饋電路和計數器都可能是潛在的毛刺信號發(fā)生器，但毛刺并不是對所有輸入都有危害，如觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現在時(shí)鐘的上升沿并滿(mǎn)足數據的建立保持時(shí)間，就不會(huì )對系統造成危害。而當毛刺信號成為系統的啟動(dòng)信號、控制信號、握手信號，觸發(fā)器的清零信號(CLEAR)、預置信號(PRESET)、時(shí)鐘輸入信號(CLK)或鎖存器的輸入信號時(shí)就會(huì )產(chǎn)生邏輯錯誤。在實(shí)際設計過(guò)程中，應盡量避免將帶有毛刺的信號直接接入對毛刺敏感的輸入端上，對于產(chǎn)生的毛刺，應仔細分析毛刺的來(lái)源和性質(zhì)，針對不同的信號，采取不同的解決方法加以消除。

因此，克服和解決毛刺問(wèn)題對現代數字系統設計尤為重要。本文從FPGA的原理結構的角度探討了產(chǎn)生毛刺的原因及產(chǎn)生的條件，在此基礎上，總結了多種不同的消除方法，在最后結合具體的應用對解決方案進(jìn)行深入的分析。

　　1毛刺產(chǎn)生的原因

　　以圖1的例子分析毛刺產(chǎn)生的起因：圖1是一個(gè)3位同步加法計數器，當使能端為高電平時(shí)，在每個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)刻，QA ,QB,QC從000逐步變到111，進(jìn)入到全1狀態(tài)后，進(jìn)位輸出端輸出半個(gè)時(shí)鐘脈沖寬度的高電平，但從圖2仿真結果中可以看到在011變化到100時(shí)刻ROC出現了尖脈沖，即毛刺。

　　以Xilinx的FPGA為例分析其內部結構，如圖3所示[2]。

　　FPGA芯片是由可構造的輸入輸出塊(Input/OutputBlock，IOB)、可構造邏輯塊(Cinfigur able Logic Block，CLB)和可編程連線(xiàn)資源(Programmable Interconnect Array，PIA)3種可構造單元構成的。IOB位于芯片內部四周，在內部邏輯陣列與外部芯片封裝引腳之間提供一個(gè)可編程接口，他主要由邏輯門(mén)、觸發(fā)器和控制單元組成。CLB組成了FPGA的核心陣列，能完成用戶(hù)指定的邏輯功能;每個(gè)CLB主要有一個(gè)組合邏輯、幾個(gè)觸發(fā)器、若干個(gè)多選一電路和控制單元組成;PIA位于芯片內部的邏輯塊之間，經(jīng)編程后形成連線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，用于芯片內部邏輯間的相互連接，并在他們之間傳遞信息。從圖3中可以看出，對于不同的輸入1、2，到邏輯塊(M)的走線(xiàn)可能是不同的，這就造成了輸入信號的延遲，假設1、2同時(shí)變化，由于延遲的存在，到達M時(shí)就有先有后(這種現象稱(chēng)為競爭)，在邏輯輸出端就可能會(huì )有險象(也稱(chēng)冒險)，即產(chǎn)生了毛刺。在上述例子中的011狀態(tài),假設QA與QB同時(shí)從1變化到0，而QC提前了2 ns從0變到1 ，產(chǎn)生一個(gè)2 ns的高電平，這就是毛刺。也就是說(shuō)，在FPGA設計中,毛刺產(chǎn)生的根本原因是信號在芯片內部走線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的延遲。

　　2毛刺產(chǎn)生的條件

　　借助同樣的例子來(lái)分析毛刺產(chǎn)生的條件。QA,QB,QC在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿同時(shí)發(fā)生翻轉，但實(shí)際中由于延遲的存在，并不能保證QA,QB,QC到D觸發(fā)器的布線(xiàn)長(cháng)短一致。如果QC比Q A,QB提前了2 ns，這就形成了2 ns的全1狀態(tài)，稱(chēng)為“假象全1”，進(jìn)而導致進(jìn)位輸出產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖。值得注意的是，在3變到4即011到100時(shí)，3位中有2位同時(shí)發(fā)生翻轉，即在同一時(shí)刻有大于一個(gè)的信號發(fā)生改變。由于延遲的作用，多個(gè)信號到達終點(diǎn)的時(shí)間有先有后，形成了競爭，由競爭產(chǎn)生的錯誤輸出就是毛刺。所以,毛刺發(fā)生的條件就是在同一時(shí)刻有多個(gè)信號輸入發(fā)生改變。

　　3消除毛刺的方法

　　知道了毛刺產(chǎn)生的條件，就可以通過(guò)改變設計，破壞其條件來(lái)減少毛刺的發(fā)生。例如，利用格雷碼計數器每次輸出只有一位跳變的特性，代替普通的二進(jìn)制計數器，避免了毛刺的產(chǎn)生[3]。還可以對電路進(jìn)行改進(jìn)，以消除毛刺對系統的影響。下面對各種方法做分別介紹：

　　3.1利用冗余項法

　　利用冗余項消除毛刺有2種方法：代數法和卡諾圖法，兩者都是通過(guò)增加冗余項來(lái)消除險象，只是前者針對于函數表達式而后者針對于真值表。以卡諾圖為例，若兩個(gè)卡諾圓相切，其對應的電路就可能產(chǎn)生險象。因此，修改卡諾圖，在卡諾圖的兩圓相切處增加一個(gè)圓，以增加多余項來(lái)消除邏輯冒險。但該法對于計數器型產(chǎn)生的毛刺是無(wú)法消除的。

　　3.2采樣法

　　由于冒險多出現在信號發(fā)生電平跳變的時(shí)刻，即在輸出信號的建立時(shí)間內會(huì )產(chǎn)生毛刺，而在保持時(shí)間內不會(huì )出現，因此，在輸出信號的保持時(shí)間內對其進(jìn)行采樣，就可以消除毛刺信號的影響，常用的采樣方法有2種:一種使用一定寬度的高電平脈沖與輸出相與，從而避開(kāi)了毛刺信號，取得輸出信號的電平值。這種方法必須保證采樣信號在合適的時(shí)間產(chǎn)生，并且只適用于對輸出信號時(shí)序和脈沖寬度要求不嚴的情況。另一種更常見(jiàn)的方法叫鎖存法，是利用D觸發(fā)器的輸入端D對毛刺信號不敏感的特點(diǎn)，在輸出信號的保持時(shí)間內，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號。由于在時(shí)鐘的上升沿時(shí)刻，輸出端Q=D，當輸入的信號有毛刺時(shí)，只要不發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿時(shí)刻，輸出就不會(huì )有毛刺。這種方法類(lèi)似于將異步電路轉化為同步電路，實(shí)現簡(jiǎn)單，但同樣會(huì )涉及到時(shí)序問(wèn)題。

　　3.3吸收法

　　由于產(chǎn)生的毛刺實(shí)際上是高頻窄脈沖，故增加輸出濾波，在輸出端接上小電容C就可以濾除毛刺。但輸出波形的前后沿將變壞，在對波形要求較嚴格時(shí)，應再加整形電路，該方法不宜在中間級使用。

　　3.4延遲法

　　因為毛刺最終是由于延遲造成的，所以可以找出產(chǎn)生延遲的支路。對于相對延遲小的支路，加上毛刺寬度的延遲可以消除毛刺。但有時(shí)隨著(zhù)負載增加，毛刺會(huì )繼續出現，而且，當溫度變化，所加的電壓變化或要增加邏輯門(mén)時(shí)，所加的延遲是不同的，必須重新設計延遲線(xiàn)，因而這種方法也是有局限性的。而且采用延遲線(xiàn)的方法產(chǎn)生延遲會(huì )由于環(huán)境溫度的變化而使系統可靠性變差。

　　3.5硬件描述語(yǔ)言法

　　這種方法是從硬件描述語(yǔ)言入手，找出毛刺產(chǎn)生的根本原因，改變語(yǔ)言設計，產(chǎn)生滿(mǎn)足要求的功能模塊，來(lái)代替原來(lái)的邏輯功能塊。在圖1電路中，一個(gè)3位計數器可能會(huì )在011到100和101到110發(fā)生跳變時(shí)產(chǎn)生毛刺，究其原因是因為一次有2位發(fā)生跳變，可以采用VHDL語(yǔ)言對計數器編寫(xiě)如下，產(chǎn)生的計數模塊代替原來(lái)普通的計數器。