竞争与冒险——随笔

Posted 2020-09-29 IC_learner

　　（1）竞争与冒险的概念（产生原因）

　　①信号在组合逻辑电路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。此外，信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，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，这种现象叫做竞争。

　　由于竞争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”。

　　②冒险信号的脉冲宽度很小，常常只有数纳秒或数十纳秒，其频带带宽可达数百兆赫兹或更宽。在板级调试时，如果示波器的上限频率较低，会将幅度较大的毛刺显示为幅度较小的毛刺，甚至不易被察觉。

　　③冒险按产生形式的不同可以分为静态冒险和动态冒险两大类。

·静态冒险是指输入有变化，而输出不应变化时产生的单个窄脉冲；

·动态冒险则指的是输入变化时，输出也应变化时产生的冒险。

　　动态冒险是由静态冒险引起的，因此存在动态冒险的电路也存在静态冒险。

　　④静态冒险根据产生条件的不同，分为功能冒险和逻辑冒险两大类。

·当有两个或两个以上输入信号同时产生变化时，在输出端产生毛刺，这种冒险称为功能冒险。

·如果只有一个变量产生变化时出现的冒险则是逻辑冒险。

　　冒险往往会影响到逻辑电路的稳定性，因此要注意冒险的消除。

 

　　（2）静态冒险产生的判断

　　①判断一个逻辑电路在某些输入信号发生变化时是否会产生冒险，首先要判断信号是否会同时变化，然后判断在信号同时变化的时候，是否会产生冒险，这可以通过逻辑函数的卡诺图或逻辑函数表达式来进行判断。

　　②功能冒险的检查

　　功能冒险是由电路的逻辑功能引起的，只要输入信号不是按照循环码的规律变化，组合逻辑就可能产生功能冒险，且不能通过修改设计加以消除，只能通过对输出采用时钟采样来消除。

　　③逻辑冒险的检查

检查电路是否产生逻辑冒险的方法有两种：代数法和卡诺图法。

代数法：

　　如果一个组合逻辑函数表达式 F，在某些条件下能化简成F = A+ A或F = AA的形式，在A 产生变化时，就可能产生静态逻辑冒险。

卡诺图法：

　　在组合逻辑的卡诺图中，若存在素项圈相切，则可能会产生逻辑冒险，如下图所示的卡诺图中，AC 和AB两个素项环相切，在B = C = 1时，A 由1 变为0 时，将产生逻辑冒险：

 　　　　　　　　　　

 

 

　　（3）毛刺的消除

　　毛刺并不是对所有的输入都有危害，例如D 触发器的D 输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并且满足数据的建立和保持时间，就不会对系统造成危害，我们可以说D 触发器的D 输入端对毛刺不敏感。

　　根据这个特性，我们应当在系统中尽可能采用同步电路，这是因为同步电路信号的变化都发生在时钟沿，只要毛刺不出现在时钟的沿口并且不满足数据的建立和保持时间，就不会对系统造成危害。（由于毛刺很短，多为几纳秒，基本上都不可能满足数据的建立和保持时间）因此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。

　　目前，主要有两种基本的采样方法：脉冲选择法和时序逻辑保持法。

　　①脉冲选择法

　　该方法在输出信号的保持时间内，用一定宽度的高电平脉冲与输出信号做逻辑“与”运算，由此获取输出信号的电平值。

　　这种方法大大减少毛刺，但它并不能完全消除毛刺，我们通常使用“采样”的方法。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。但是这种方法必须产生在合适的时候产生高电平，因此有一定的难度。

　　②时序逻辑保持法

　　其利用D 触发器的D 输入端对毛刺信号不敏感的特点，在输出信号的保持时间内，用触发器读取组合逻辑的输出信号，这种方法类似于将异步电路转化为同步电路。举例如下：

 1 module maoxian(
 2     input clk,
 3     input A, B, C, D,
 4     output reg Out,
 5     output Tout
 6 );
 7 
 8 wire aandb, candd, tmp;
 9 
10 assign aandb = A && B;
11 assign candd = C && D;
12 assign tmp = aandb || candd;
13 
14 
15 always @(posedge clk) begin
16     Out <= tmp;
17 end
18 
19 assign Tout = tmp;
20 
21 endmodule