摘要：在FPGA" title="FPGA">FPGA設計中，為了成功地操作，可靠的時鐘" title="時鐘">時鐘是非常關鍵的。設計不良的時鐘在極限的溫度、電壓下將導致錯誤的行為。在設計PLD／FPGA時通常采用如下四種類型時鐘：全局時鐘、門控時鐘、多級邏輯時鐘和波動式時鐘。多時鐘系統包括上述四種時鐘類型的任意組合。
關鍵詞：FPGA；時鐘；邏輯時鐘；險象

    對于一個設計項目來說，全局時鐘是最簡單和最可預測的時鐘。在PLD／FPGA設計中最好的時鐘方案是由專用的全局時鐘輸入引腳驅動的單個主時鐘去鐘控設計項目中的每一個觸發器。只要可能就應盡量在設計項目中采用全局時鐘。PLD／FPGA都具有專門的全局時鐘引腳，它直接連到器件中的每一個寄存器。這種全局時鐘提供器件中最短的時鐘到輸出的延時。

1 全局時鐘
    全局時鐘的實例如圖1所示。圖1中定時波形示出觸發器的數據輸入D[1．．3]應遵守建立時間和保持時間的約束條件。建立和保持時間的數值在PLD數據手冊中給出，也可用軟件的定時分析器計算出來。如果在應用中不能滿足建立和保持時間的要求，則必須用時鐘同步輸入信號。

2 門控時鐘
    在許多應用中，整個設計項目都采用外部的全局時鐘是不可能或不實際的。PLD具有乘積項邏輯陣列時鐘(即時鐘是由邏輯產生的)，允許任意函數單獨地鐘控各個觸發器。然而，當你用陣列時鐘時，應仔細地分析時鐘函數，以避免毛刺。
    通常用陣列時鐘構成門控時鐘。門控時鐘常常同微處理器接口有關，用地址線去控制寫脈沖。然而，每當用組合函數鐘控觸發器時，通常都存在著門控時鐘。如果符合下述條件，門控時鐘可以象全局時鐘一樣可靠地工作，圖2所示是一個可靠的門控時鐘電路。

    (1)驅動時鐘的邏輯必須只包含一個“與”門或一個“或”門。如果采用任何附加邏輯在某些工作狀態下，會出現競爭產生的毛刺。
    (2)邏輯門的一個輸入作為實際的時鐘，而該邏輯門的所有其他輸入必須當成地址或控制線，它們遵守相對于時鐘的建立和保持時間的約束。
    在設計中可以將門控時鐘轉換成全局時鐘以改善設計項目的可靠性。圖3示出如何用全局時鐘重新設計圖2所示的電路。地址線在控制D觸發器的使能輸入，許多PLD設計軟件，如Max+PlusⅡ軟件都提供這種帶使能端的D觸發器。當ENA為高電平時，D輸入端的值被鐘控到觸發器中：當ENA為低電平時，維持現在的狀態。

3 多級邏輯時鐘
    當產生門控時鐘的組合邏輯超過一級(即超過單個的“與”門或“或”門)時，驗證設計項目的可靠性變得很困難。即使樣機或仿真結果沒有顯示出靜態險象，但實際上仍然可能存在著危險。通常，不應該用多級組合邏輯去鐘控PLD設計中的觸發器。
    圖4給出一個含有險象的多級時鐘的例子。時鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時鐘(CLK)和該時鐘的2分頻(DIV2)。多級邏輯的險象可以去除。例如，可以插入“冗余邏輯”到設計項目中。然而，PLD／FPGA編譯器在邏輯綜合時會去掉這些冗余邏輯，使得驗證險象是否真正被去除變得困難了。為此，必須應尋求其他方法來實現電路的功能。

    圖5給出圖4電路的一種單級時鐘的替代方案。圖中SEL引腳和DIV2信號用于使能D觸發器的使能輸入端，而不是用于該觸發器的時鐘引腳。采用這個電路并不需要附加PLD的邏輯單元，工作卻可靠多了。

4 行波時鐘
    另一種流行的時鐘電路是采用行波時鐘，即一個觸發器的輸出用作另一個觸發器的時鐘輸入。如果仔細地設計，行波時鐘可以像鐘一樣地可靠工作。然而，行波時鐘使得與電路有關的定時計算變得很復雜。行波時鐘在行波鏈上各觸發器的時鐘之間產生較大的時間偏移，并且會超出最壞情況下的建立時間、保持時間和電路中時鐘到輸出的延時，使系統的實際速度下降，如圖6所示。

5 多時鐘系統
    許多系統要求在同一個PLD內采用多時鐘。最常見的例子是兩個異步微處理器之間的接口，或微處理器和異步通信通道的接口。由于兩個時鐘信號之間要求一定的建立和保持時間，所以，上述應用引進了附加的定時約束條件。它們也會要求將某些異步信號同步化。
    圖7給出一個多時鐘系統的實例。CLK_A用以鐘控REG_A，CLK_B用于鐘控REG_B，由于REG_A驅動著進入REG_B的組合邏輯，故CLK_A的上升沿相對于CLK_B的上升沿有建立時間和保持時間的要求。由于REG_B不驅動饋到REG_A的邏輯，CLK_B的上升沿相對于CLK_A沒有建立時間的要求。此外，由于時鐘的下降沿不影響觸發器的狀態，所以CLK_A和CLK_B的下降沿之間沒有時間上的要求。電路中有兩個獨立的時鐘，可是，在它們之間的建立時間和保持時間的要求是不能保證的。在這種情況下，必須將電路同步化。圖8給出REG_A的值(如何在使用前)同CLK_B同步化。新的觸發器REG_C由GLK_B觸控，保證REG_G的輸出符合REG_B的建立時間。然而，這個方法使輸出延時了一個時鐘周期。

    在許多應用中只將異步信號同步化還是不夠的，當系統中有兩個或兩個以上非同源時鐘的時候，數據的建立和保持時間很難得到保證，將面臨復雜的時間問題。最好的方法是將所有非同源時鐘同步化。使用PLD內部的鎖項環(PLL或DLL)是一個效果很好的方法，但不是所有PLD都帶有PLL，DLL，而且帶有PLL功能的芯片大多價格昂貴，所以除非有特殊要求，一般場合可以不使用帶PLL的PLD。這時需要使用帶使能端的
D觸發器，并引入一個高頻時鐘。

6 結語
    穩定可靠的時鐘是系統穩定可靠的重要條件，所以不能將任何可能含有毛刺的輸出作為時鐘信號，并且盡可能只使用一個全局時鐘，對多時鐘系統要注意同步異步信號和非同源時鐘。