競爭冒險消除

　　在FPGA的設計中，毛刺現象是長期困擾電子設計工程師的設計問題之，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的內部走線和通過邏輯單元時造成的延遲，在多路信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出常常產生一些小的尖峰，即毛刺信號，也容易引起競爭冒險現象，從而使電路工作的穩定性大受影響。

　　1、競爭與冒險

　　1.1 競爭

　　說法1：門電路中有兩個輸入信號同時向相反的電平跳變的現象叫做競爭。

　　說法2：在組合電路中，某個變量（或信號）經過兩條以上的路徑到達輸出端時，由于不同路徑上的延遲時間不一樣，達到輸出端的時間就會有先有后，這一現象稱作競爭。

　　如圖所示電路及波形：對于與門，若穩態時，A＝1,B＝0或A＝0,B＝1時，輸出皆為Y＝0。但在信號的傳輸過程中，由于門的傳輸時間不同，造成在時間△t內，出現A和B同時高VIL(max)，這樣在輸出端產生了很窄的脈沖，即Y＝1，稱為電壓尖峰或電壓毛刺。

　　1.2 冒險

　　在具有競爭可能的組合電路中，由于輸入端的競爭而導致的輸出端出現不該有的干擾脈沖（即所謂毛刺），就稱為冒險。表現為輸出端出現了原設計中沒有的窄脈沖，常稱其為毛刺。

　　冒險分類：

　　1）靜態冒險與動態冒險

　　冒險按照其產生形式可以分為靜態冒險與動態冒險。

　　靜態冒險是指輸入產生變化時輸出產生單個窄脈沖的現象。靜態冒險按其穩態與尖峰的不同可以分為靜態0型冒險與靜態1型冒險。靜態1型冒險是指電路穩態輸出均為1，在輸入信號變化時產生短暫的0脈沖的現象。靜態0型冒險正好相反。

　　動態冒險是指由于輸入變化而導致的輸出產生變化的現象，換言之，就是由于發生了多次靜態冒險導致輸出多個窄脈沖的現象。靜態冒險是由于信號變化存在快慢而導致，而動態冒險是由于靜態冒險而導致的，當電路中存在快、慢與更慢的電路時，就會產生動態冒險，因為當不同速度的信號變化組合時，就會產生多個窄脈沖。

　　2）邏輯冒險和功能冒險

　　冒險按照其產生條件，可以分為邏輯冒險和功能冒險兩大類。

　　邏輯冒險是指電路中只有一個信號發生變化卻導致了輸出產生冒險的現象。顧名思義，這是由于電路的邏輯設計的不合理導致，因此應該避免此現象，也就是避免下面所說的代數法中的問題。

　　功能冒險是指由于電路中兩個或者以上的信號發生變化時，由于電路和器件本身的特性導致的到達時間差而產生的冒險。功能冒險較之于邏輯冒險更難處理。

　　1.3 競爭與冒險的關系

　　有競爭不一定會有冒險，但有冒險就一定有競爭。

　　1.4 檢查競爭冒險的方法

　　1）邏輯表達式化簡法

　　如果輸出端門電路的兩個輸入信號A和A’是輸入變量A經過兩個不同的傳輸途徑而來，則當輸入變量發生變化時，輸出端就可能產生尖峰脈沖。

　　故對于輸出端的邏輯函數在一定條件下能化簡成：

　　Y=A+A’ ， 存在 “0” 型競爭；

　　Y=A*A’ ， 存在 “1” 型競爭；

　　的情況下，則判定一定有競爭冒險現象。

　　2）卡洛圖法

　　即如果一個邏輯函數的表達式的卡洛圖中所畫圈沒有重疊并且相切，則判定有競爭冒險。（本質上還是利用上面的方法，只是比較直觀形象的判斷）

　　對于以下卡洛圖，左圖存在競爭冒險，而由圖不存在競爭冒險。

　　具體方法：

　　通過邏輯表達式畫出卡諾圖來判斷是否會出現冒險現象，當卡諾圖中的卡諾圈相切，則有競爭冒險。

　　由上圖，圖中的圈稱為卡諾圈，卡諾圈中只能包含1,2,4,8....2^n(n為非負整數)個元素，當該函數在A=B=1時，存在0型邏輯冒險。

　　圖中紅圈與藍圈有相切的地方，被稱為卡諾圈相切。

　　1、變量取值在卡諾圈內變化，不存在邏輯冒險；

　　2、變量取值在相切的卡諾圈跳變時，而這個相切部分又沒有被另外的卡諾圈包圍，則可能存在邏輯冒險。

　　1.5 消除競爭冒險的措施

　　FPGA設計中最簡單的避免方法是盡量使用時序同步邏輯同步輸入輸出。

　　(a) 修改邏輯設計，增加冗余項，消除邏輯冒險；

　　1）存在競爭的情況下，增加冗余項，實現輸出消除毛刺。

　　例：邏輯表達式如下：Y = A’BC + AB

　　當B = C = 1時， 電路存在“0”型競爭。增加項：冗余項 B&C

　　更變后：Y = A’BC + AB + B C (利用消去冗余項公式)

　　2）還有卡諾圖法，在兩個相切的圓之間，相切接觸的地方增加一個連接圓。

　　對于上面的卡洛圖，在相切的位置增加 冗余項 B’C，故函數表達式Y=A’B’+AC+B’C

　　（b）采用可靠性編碼，如格雷碼；

　　（c）引入旁路濾波電容，輸出并聯濾波電容消除毛刺；

　　在輸出端并聯接一個很小的濾波電容，削弱尖峰脈沖的幅度至門電路的閾值以下。簡單易行，但是會增加輸出電壓波形上升時間和下降時間，使波形變壞。

　　（d）加封鎖脈沖;

　　即在輸入信號產生競爭冒險的時間內，引入一個脈沖將可能產生尖峰干擾脈沖的門封鎖住，封鎖脈沖應該在輸入信號轉換前到來，轉換后消失。

　　（e）加選通脈沖；

　　即對輸出可能產生尖峰脈沖的門電路增加一個接選通信號的輸入端，只有在輸入信號轉換完成并穩定后，才引入選通脈沖將它打開，此時才允許有輸出。

　　For邏輯冒險：增加冗余項（得到非最簡邏輯，屬于修改邏輯設計的方法）；卡諾圖法；增加選通電路；增加輸出濾波電容。由此看出，兩面性來了：一方面想最簡化邏輯電路，可是卻有可能出現競爭冒險，退而求其次，則恰當解決問題。

　　For功能冒險：功能冒險是由于在輸入n個變量同時變化時，它們的實際變化在時間上有先有后引起的，因此改變電路的邏輯設計并不能消除功能冒險。對待功能冒險常用的方法是增加選通信號或者增加輸出濾波電容方法。

　　2、毛刺

　　2.1 毛刺產生的原因

　　①建立時間和保持時間

　　建立時間（setup time）是指在觸發器的時鐘信號上升沿到來以前，數據穩定不變的時間，如果建立時間不夠，數據將不能在這個時鐘上升沿被打入觸發器；保持時間（hold time）是指在觸發器的時鐘信號上升沿到來以后，數據穩定不變的時間，如果保持時間不夠，數據同樣不能被打入觸發器，如圖所示，數據穩定傳輸必須滿足建立和保持時間的要求，當然在一些情況下，建立時間和保持時間的值可以為零。

　　②競爭和冒險

　　FPGA芯片是由可構造的輸入輸出塊(Input/Output Block,IOB)、可構造邏輯塊(Cinfigurable Logic Block,CLB)和可編程連線資源(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可編程接口,他主要由邏輯門、觸發器和控制元組成。CLB組成了FPGA的核心陣列,能完成用戶指定的邏輯功能;每個CLB主要有一個組合邏輯、幾個觸發器、若干個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,經編程后形成連線網絡,用于芯片內部邏輯間的相互連接,并在他們之間傳遞信息。信號在FPGA器件內部通過連線和邏輯單元時，都有一定的延時。延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數目有關，同時還受器件的制造工藝、 工作電壓、溫度等條件的影響。信號的高低電平轉換也需要一定的過渡時間。由于存在這兩方面因素，多路信號的電平值發生變化時，在信號變化的瞬間，組合邏輯 的輸出有先后順序，并不是同時變化（及競爭現象）,往往會出現一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號稱為"毛刺"。如果一個組合邏輯電路中有"毛刺"出現，就說明該電路存在"冒險"。（與分立元件不同，由于PLD內部不存在寄生電容電感，這些毛刺將被完整的保留并向下一級傳遞，因此毛刺現象在PLD、FPGA設計中尤為突出）也就是說,在FPGA設計中,毛刺產生的根本原因是信號在芯片內部走線時產生的延遲。

　　2.2 毛刺產生的條件

　　由于延遲的作用,多個信號到達終點的時間有先有后,形成了競爭,由競爭產生的錯誤輸出就是毛刺。所以,毛刺發生的條件就是在同一時刻有多個信號輸入發生改變。

　　2.3 毛刺的危害

　　當毛刺信號成為系統的啟動信號，控制信號，握手信號，觸發器的清零信號，預置信號，時鐘信號，或鎖存器的輸入信號時就會產生邏輯錯誤。

　　2.4 消除毛刺的方法

　　知道了毛刺產生的條件,就可以通過改變設計,破壞其條件來減少毛刺的發生。例如,利用格雷碼計數器每次輸出只有一位跳變的特性,代替普通的二進制計數器,避免了毛刺的產生。還可以對電路進行改進,以消除毛刺對系統的影響。

　　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,兩者都是通過增加冗余項來消除險象,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,若兩個卡諾圓相切,其對應的電路就可能產生險象。因此,修改卡諾圖,在卡諾圖的兩圓相切處增加一個圓,以增加多余項來消除邏輯冒險。但該法對于計數器型產生的毛刺是無法消除的。

　　②采樣法

　　由于冒險多出現在信號發生電平跳變的時刻,即在輸出信號的建立時間內會產生毛刺,而在保持時間內不會出現,因此,在輸出信號的保持時間內對其進行采樣,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間產生,并且只適用于對輸出信號時序和脈沖寬度要求不嚴的情況。另一種更常見的方法叫鎖存法,是利用D觸發器的輸入端D對毛刺信號不敏感的特點,在輸出信號的保持時間內,用觸發器讀取組合邏輯的輸出信號。由于在時鐘的上升沿時刻,輸出端Q=D,當輸入的信號有毛刺時,只要不發生在時鐘的上升沿時刻,輸出就不會有毛刺。這種方法類似于將異步電路轉化為同步電路,實現簡單,但同樣會涉及到時序問題。

　　③吸收法

　　由于產生的毛刺實際上是高頻窄脈沖,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,應再加整形電路,該方法不宜在中間級使用。

　　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。但有時隨著負載增加,毛刺會繼續出現,而且,當溫度變化,所加的電壓變化或要增加邏輯門時,所加的延遲是不同的,必須重新設計延遲線,因而這種方法也是有局限性的。而且采用延遲線的方法產生延遲會由于環境溫度的變化而使系統可靠性變差。

　　⑤硬件描述語言法

　　這種方法是從硬件描述語言入手,找出毛刺產生的根本原因,改變語言設計,產生滿足要求的功能模塊,來代替原來的邏輯功能塊。

　　在Verilog編程時，需要注意以下幾方面，在絕大多數情況下可避免綜合后仿真出現冒險問題。

　　1）時序電路建模時，用非阻塞賦值。

　　2）鎖存器電路建模時，用非阻塞賦值。

　　3）用always和組合邏輯建模時，用阻塞賦值。

　　4）在同一個always塊中建立時序和組合邏輯模型時，用非阻塞賦值。

　　5）在同一個always塊中不要既使用阻塞賦值又使用非阻塞賦值。

　　6）不要在多個always塊中為同一個變量賦值。

　　避免在綜合時引入鎖存器的注意點包括：

　　1）組合電路的每一個if-else語句要完整，即每一個if要對應一個else，時序電路if語句不完整不會出現鎖存器問題。

　　2）case語句要完整，即每一個case語句對應一個default。

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