几个有关FPGA的概念

Posted 2020-08-17

《数字设计——原理和实践》(John F.Wakerly)的书

FPGA同步时钟设计 

　　简单说就是 一个系统中（或系统中的一部分）都采用同一个时钟触发。系统中的(D)触发器全部都连接到一个时钟，而且只控制触发器的同步端（输入，同步置位，同步复 位）。这样的系统是相对于异步系统而言的，异步系统并不是不同的触发器时钟端连接到不同的时钟信号的系统（一般的这样叫做跨时钟系统，是相对几个较小的同 步系统的组合），而是更本没有了时钟的概念，依靠和触发器构造一样的反馈电路组成。相对于异步系统，同步系统更好设计（异步设计则象一个魔术,类似于汇编 和高级语言的关系），更容易进行时序分析(为什么要用D触发器而不用D锁存器)——在这里组合逻辑的竞争冒险毛刺问题都不存在了。应该说，同步系统最大的 问题在于时钟的偏斜(skew)。同步时钟系统也存在一些涉及的技巧，这些技巧一般围绕着降低关键路径的延时和时间和空间的平衡。这些都是平衡的艺术（了 解了基本的部件之后，剩下的工作就是一个字"平衡",这里边的方法就太具体，而且本人也知道得不多，不敢乱说了。不过，只要你用过一种方法，就可以体会到 其中的精神了。 

FPGA亚稳态 

　　这是跨时钟设计中最基础的一个问题(宏观的问 题是FIFO)，按照我的观察，上论坛问问题多的一般不明白这个，请一定要注意了。 什么是亚稳态？数字电路中的简单双稳态电路就是两个反相器首尾相连组成（加一些控制逻辑变成了锁存器，触发器），然而并不像名字显示的，这种电路其实还有 第三种半稳定态——就是当两个反相器都处于中间值得情况——这称之为亚稳态。我们知道反相器在非逻辑值范围的反馈系数是相当大的，一旦因为干扰或者噪音离 开了这个中心点，就会很快地进入逻辑值范围（稳态）。数学分析，从亚稳态进入稳态，正如放射元素的衰变，是一个指数的规律（为什么是指数的规律？你要是想 不明白，说明你还没有搞明白亚稳态）。那么，亚稳态的危害到底是什么呢？消耗功率；），其实不是（虽然亚稳态消耗很大的功率），亚稳态的问题在于其电平并 不处于有效逻辑电平范围内，而且在变化。这就导致与其相连其他数字部件将其作出不同的判断（注意，不同），有的作为‘1‘,有的作为‘0‘，有的也进入了 亚稳态，数字部件就会逻辑混乱。那么究竟如何避免（或者减小)亚稳态的危险呢？注意到亚稳态的触发器继续停留在亚稳态的几率按照指数减少，那么办法就是等 ——等足够长的时间，直到这个几率变得小的实际上不会发生。到底需要有多长呢？有的厂商有一个数据，有的没有，按照普通的做法，至少等一个时钟周期——这 也就是所谓的异步数据要用两个触发器打一下。这一段有点糊涂，不容易说明白，你看了要是觉得云里雾里，不知所云，那们你只有找一本书学习了；要是觉得作者 表达不清，那么恭喜你，面试通过了的几率增加了。关于这个问题有很多糊涂的认识，要是你的主考官和你争论，你就顺着他的意思，毕竟没有人想找一个管教不了 的手下。

FPGA异步FIFO 

　　异步FIFO是跨时钟域设计方法的集中体现， 体现了很多的方法。不过，其中最重要的有两点，一个就是亚稳态，一个就是和亚稳态类似但不相同的——多个控制/状态信号的跨时钟传递。具体地说，就是当你 把一组信号传递到另外一个时钟域的话，这一组信号可能因为延迟不同，这样到达新时钟域之后，得到的数据相差一个老时钟域的时钟周期。兴好，对于FIFO， 需要传递的是一个计数器，这个计数器可以编码成格雷码（gray code），这样的编码每次只变化一个位，正好解决了上面的问题(要是没有画过图，最好画一个图看一下）。真不清楚这是怎么发明的！注意，这里其实还对格 雷码的相对延迟和相关的时钟周期有一个要求。这就是异步FIFO中最关键的一点，至于指针如何控制，稍微考虑一下都很容易清楚。需要注意的事，这些东西不 是用嘴能说清楚的，最好画一个示意图，不要因为没有说清楚，让主考官觉得你没有清楚。 

　　当然，除此之外还有很多很多的东西。比如组合逻辑的设计技巧，俺就没有研究。比如高速布线信号完整性问题，俺也不敢多说。至于整个系统的设计思想，更不敢妄语。不过如果只要你有一个问题了解到了相当的深度，相信你很容易搞清楚其他问题。


补充：
另一位高人给我解释的亚稳态，更加通俗易懂： 亚稳态就是对于触发器来说，输入信号与时钟之间不满足建立保持时间，导致输出处于‘0‘和‘1‘之间的一个电平上，这个状态就是亚稳态。然而亚稳态不能持久，由于电路的噪声，它最后会稳定在‘0‘或 ‘1‘，导致了不可预测的输出。出现亚稳态的原因是输入和时钟不同步，简单的解决方法是将输入用两个D触发器打成同步。