FPGA/CPLD 设计中的时钟方案:多级门控时钟与行波时钟

2017-08-18 75 0

一、门控时钟与静态险象

当产生门控时钟的组合逻辑超过一级时,要使设计项目的可靠性得到保证就变得很困难;即使样机或仿真结果没有显示出静态险象,实际上仍然可能存在着危险。因此,通常不应该用多级组合逻辑去钟控 PLD 设计中的触发器。图 1 给出一个含有险象的多级时钟的例子。

FPGA/CPLD 设计中的时钟方案:多级门控时钟与行波时钟

图 1 有静态险象的多级时钟

该时钟是由 SEL 引脚控制的多路选择器输出的,多路选择器的输入是时钟(CLK)和该时钟的 2 分频(DIV2)。由定时波形图可以看出,在两个时钟均为逻辑 1 的情况下,当 SEL 线的状态改变时存在静态险象,险象的程度取决于工作的条件。多级逻辑的险象是可以去除的。

图 2 给出图 1 电路的一种单级时钟的替代方案:图中 SEL 引脚和 DIV2 信号用于使能 D 触发器的使能输入端,而不是用于该触发器的时钟引脚。采用这个电路并不需要附加 PLD 的逻辑单元,工作却可靠多了。不同的系统需要采用不同的方法去除多级时钟,并没有固定的模式。

FPGA/CPLD 设计中的时钟方案:多级门控时钟与行波时钟

图 2 无静态险象的单级时钟方案

二、行波时钟

另一种流行的时钟电路是采用行波时钟,即一个触发器的输出用作另一个触发器的时钟输入。如果仔细地设计,行波时钟可以像全局时钟一样可靠地工作;然而行波时钟使得与电路有关的定时计算变得很复杂:行波时钟在行波链上各触发器的时钟之间产生较大的时间偏移,并且会超出最坏情况下的建立时间、保持时间和电路中时钟到输出的延时,使系统的实际速度下降。

用计数翻转型触发器构成异步计数器时常采用行波时钟,一个触发器的输出钟控下一个触发器的输入(参看图 3)。同步计数器通常是代替异步计数器的更好方案,这是因为两者需要同样多的宏单元,而同步计数器有较快的时钟到输出的时间。图 4 给出具有全局时钟的同步计数器,它和图 3 功能相同、用了同样多的逻辑单元实现,却有较快的时钟到输出的时间;几乎所有 PLD 开发软件都提供多种多样的同步计数器。

FPGA/CPLD 设计中的时钟方案:多级门控时钟与行波时钟

图 3 行波时钟

FPGA/CPLD 设计中的时钟方案:多级门控时钟与行波时钟

图 4 行波时钟转换成全局时钟

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