FPGA中竞争与冒险的前世今生

电路

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。

那么 FPGA 产生竞争冒险的原因是什么呢？

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。

由于以上存在的因素，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。毛刺的累加将会影响整个设计的可靠性和精确性。因此判断逻辑电路中是否存在冒险以及如何避免冒险是 FPGA 设计人员必须要考虑的问题。
接下来我们就要考虑如何消除冒险，消除冒险的方式有一下几种：
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。
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、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。
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。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。
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。还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。
当然最好的就是，在设计之初，就对竞争冒险进行规避，具体规避方法有：
1、在设计中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，因为时钟偏斜会比较大。
2、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。
3、在设计中应该尽量避免隐含 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。
4、在设计电路时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。
5、在设计中充分利用资源，因为大部分 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。
6、在设计中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。
7、在设计中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。
8、在设计中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。

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