fpga数字电路设计基础李桥

VHDL 设计风格和实现, 2000年6月10日 第 5 页
门产生的时钟有问题
此例中，计数终点信号会产生毛刺，使用该信号作时钟会引 起问题。
- MSB布线更短，信号变化先到达与门。与门会“感知”到1111的中间态。由于与门为电平敏感，
会输出高电平的毛刺，从而引起寄存器的误动作。
MSB
0111
1000 计数器的操作为：
两年前我做的FPGA设计，现在却不能工作。FPGA本身有什么变化吗？
- 如果采用的是异步设计，能否工作有很多无法控制的随机因素。
我的设计原来可以工作，但将FPGA重新布线后，就不行了。怎么回事？
- 异步设计也许在特定布线下能工作，但布线改变后就不行了。很危险吧？
我的设计通过了时间仿真，但上板调试时不干活。时间仿真对不对？
0111
1111 1000 因为MSB更快
此处的与门为电 平敏感
MSB
布线更短
计数器
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flop
此处会产生毛刺，并且与 计数器的时钟无关
相应的VHDL代码
signal Counter: signal TC: signal flop:
std_logic_vector(3 downto 0); std_logic; std_logic;
process(TC, Clk) begin
if TC=‘1’ then Counter <= “0000”; TC <= ‘-’;
elsif rising_edge(Clk) then Counter <= Counter + 1; if Counter=“1110” then
else
end if; end if; end process;
- 对于异步设计，通过了时间仿真也不一定能正常工作。
要小心，时钟信号和异步复位可别产生毛刺啊。
快速FPGA中的触发器会对非常窄的毛刺信号作出反应。
-
异步设计中，设计者老要想着去消除时钟、异步复位 信号以及锁存器使能端的毛刺，但这一点很困难，甚 至不可能。 同步设计的一个简单原则: 永远不要将组合逻辑产生 的信号用作时钟、异步复位/置位。
if rising_edge(TC) then flop <= …
end if; end process;
--使用组合逻辑输出作时钟，是异步设计，禁止！！！
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毛刺和同步设计
u 组合逻辑的毛刺通常总是存在，难于甚至无法消除 u 毛刺只有在异步设计中（连接到时钟、异步复位、
锁存器的使能端）才存在问题 u 在同步设计中，由于寄存器在时钟沿才会动作，只
要能满足时延要求，就能确保采样到稳定正确的结 果 u 毛刺无法消除，但其造成的问题却可以消除 — 采用同步设计并达到时延要求
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同步设计方法中TC的生成和使用
INPUT
- 只要能满足时延要求，就可以确保下游逻辑单元 能正确采样到上游数据。
异步设计：上游数据发生变化的时机是不确 定的，甚至会出现中间态。
- 下游逻辑对上游数据的采样是不确定的，会发生 数据传递的错误。
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为什么要做同步设计 ?
异步设计可能会产生以下问题：
end if; end process;
end if; end process;
例2
signal Counter: std_logic_vector(3 downto 0);
signal TC:
std_logic;
signal s:
std_logic;
process(Clk) begin
if rising_edge(Clk) then if INPUT=‘1’ then Counter <= Counter + 1; end if; if TC=‘1’ then --TC 用在寄存器的CE端，为同步设计，可行 s <= DATA; end if;
Counter
D
Q3
Q2
Q1
Q0
TC
D
Q
CLOCK
Async R
对照前面异步设计中TC生成和使用的例子
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相应的VHDL代码
signal Counter: signal TC: signal flop:
std_logic_vector(3 downto 0); std_logic; std_logic;
CLOCK
DATA S
D
Q
CE
R
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相应的VHDL代码
例1 signal Counter: std_logic_vector(1 downto 0);
process(Clk) begin
if rising_edge(Clk) then if INPUT=‘1’ and Counter/=“11” then Counter <= Counter + 1; end if; --组合逻辑用在寄存器的D端， --为同步设计，可行
p rising_edge(Clk) then Counter <= Counter + 1;
end if; end process;
TC <= ‘1’ when Counter=“1111” else ‘0’;
--TC为组合逻辑输出
process(TC) begin
数字电路设计基础
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内容概述
一、同步设计 二、速度 三、资源
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一、同步设计
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什么是同步设计？
同步设计：上游数据到下游逻辑单元的传递 是通过时钟来同步的。
TC <= ‘1’; TC <= ‘0’;
--此复位为寄存器信号，为同步设计，可行
--注意和异步设计中TC信号的比较 --此处TC为寄存器输出
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同步设计的更多例子（可行）
INPUT CLOCK
Counter D Q1
Q0
INPUT
Counter D TC