摘　要： 毛刺現象在FPGA 設計中非常普遍, 而毛刺的出現往往導致系統結果的錯誤。本文從FPGA 的原理結構的角度深入探討了毛刺產生的原因及產生的條件, 總結了多種不同的解決方法, 并結合具體的應用對解決方案進行深入地分析。

FPGA (F ield P rogrammable Gate A rray) 以其容量大、功能強以及可靠性高等特點, 在現代數字通信系統中得到廣泛的應用。采用FPGA 設計數字電路已經成為數字電路系統領域的主要設計方式之一[ 1 ]。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一, 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, 這是由FPGA內部結構特性決定的。毛刺現象在FPGA 的設計中是不可避免的, 有時任何一點毛刺就可以導致系統出錯, 尤其是對尖峰脈沖或脈沖邊沿敏感的電路更是如此。因此, 克服和解決毛刺問題對現代數字系統設計尤為重要。本文從FPGA 的原理結構的角度探討了產生毛刺的原因及產生的條件, 在此基礎上, 總結了多種不同的消除方法, 在最后結合具體的應用對解決方案進行深入的分析。

1　毛刺產生的原因

以圖1 的例子分析毛刺產生的起因: 圖1 是一個3 位同步加法計數器, 當使能端為高電平時, 在每個時鐘上升沿時刻, QA , QB, QC 從000 逐步變到111, 進入到全1狀態后, 進位輸出端輸出半個時鐘脈沖寬度的高電平, 但從圖2 仿真結果中可以看到在011 變化到100 時刻ROC出現了尖脈沖, 即毛刺。

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以Xilinx 的FPGA 為例分析其內部結構, 如圖3 所示。

FPGA 芯片是由可構造的輸入輸出塊( Input/ OutputBlock, 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、觸發器和控制單元組成。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。從圖3 中可以看出,對于不同的輸入1、2, 到邏輯塊(M ) 的走線可能是不同的,這就造成了輸入信號的延遲, 假設1、2 同時變化, 由于延遲的存在, 到達M 時就有先有后(這種現象稱為競爭) , 在邏輯輸出端就可能會有險象(也稱冒險) , 即產生了毛刺。在上述例子中的011 狀態, 假設QA 與QB 同時從1 變化到0, 而QC 提前了2 ns 從0 變到1 , 產生一個2 ns 的高電平,這就是毛刺。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　毛刺產生的條件

借助同樣的例子來分析毛刺產生的條件。QA , QB,QC 在每一個時鐘上升沿同時發生翻轉, 但實際中由于延遲的存在, 并不能保證QA , QB, QC 到D 觸發器的布線長短一致。如果QC 比QA , QB 提前了2 ns, 這就形成了2 ns 的全1 狀態, 稱為“假象全1”, 進而導致進位輸出產生一個尖脈沖。值得注意的是, 在3 變到4 即011 到100時, 3 位中有2 位同時發生翻轉, 即在同一時刻有大于一個的信號發生改變。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。

3　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[ 3 ]。還可以對電路進行改進, 以消除毛刺對系統的影響。下面對各種方法做分別介紹:

3、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。

3、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、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。

3、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。

3、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。在圖1 電路中, 一個3 位計數器可能會在011 到100 和101 到110 發生跳變時產生毛刺, 究其原因是因為一次有2位發生跳變, 可以采用VHDL 語言對計數器編寫如下, 產生的計數模塊代替原來普通的計數器。

subdesign modcount
(clk, reset: input; q[2110 ]: output; )
variable
counter3
:MACH IN E O F B ITS ( r [2110 ])
W ITH STA TES ( r0= B"101" ,
r1= B"100" ,
r2= B"000" ,
r3= B"001" ,
r4= B"011" ,
r5= B"010" ,
r6= B"110" ,
r7= B"111") ;

begin
q[ ]= rr [ ];
counter31reset= reset;
counter31clk= clk;
CA SE counter3 IS
w hen r0= > counter3= r1;
w hen r1= > counter3= r2;
w hen r2= > counter3= r3;
w hen r3= > counter3= r4;

w hen r4= > counter3= r5;
w hen r5= > counter3= r6;
w hen r6= > counter3= r7;
w hen r7= > counter3= r0;
END CA SE;
end;

注意在新的計數器中, 每次狀態發生改變時Q 0, Q 1,Q 2 只有1 位發生跳變, 從根本上消除了毛刺。但計數器的輸出狀態沒有規律, 不便于其他電路利用。如果希望計數器的輸出狀態有規律變化以便其他電路使用, 可以考慮采用雙輸出電路, 一路是單信號輸出, 一路是正常計數輸出。這種方法從根本上消除了毛刺產生的根源, 具有普遍的意義, 對系統也不會產生影響, 是最為可靠的方法, 其不利之處是這種方法對VHDL 語言要求比較高, 必須對電路的工作狀態及其轉變有全面的分析和掌握, 而隨著電路的復雜度提高, 毛刺產生的來源繁雜, 實現起來比較困難。

對于一般情況下產生的毛刺, 可以嘗試用D 觸發器來消除。但用D 觸發器消除時, 有時會影響到時序, 需要考慮很多問題。所以應根據不同情況, 仔細地分析毛刺產生的來源和毛刺的性質, 結合系統資源選擇具體辦法, 消除毛刺的影響。

4　具體實例

在實際應用中要對一個周期同步脈沖信號進行檢測,要求若在給定的時間內沒有檢測到同步信號則給出一定脈沖寬度的高電平, 作為復位信號。設計思想是采用一個計數器, 當有同步信號時對其清零, 并同時開始計數, 根據給定時間和系統時鐘周期設定計數器的模數, 經過給定的時間后輸出高電平, 滿足寬度后再置低。

實際要求檢測時間大約1 s, 脈沖寬度保持在20ms左右, 采用5 片74161 級聯, 第5 片計數器的ROC 接D 觸發器的使能端。同步信號輸入后, 清零并開始計數, 若不再出現同步脈沖, 經16^5 個時鐘周期后, 第5 片的RCO端輸出一個高電平, 使觸發器的Q 輸出D (高電平) , 再過16^33 2個時鐘周期后使第4 片的QA , QB, QC, QD 接組合門電路輸出低電平, 接到D 觸發器的計數器預制端,使Q 輸出為零。這樣就實現經一定延時后的一定寬度的脈沖。經仿真結果如圖4 所示。

仿真平臺采用Max+ PlusII , 時鐘周期設為10 ns, 經計算可以知道在101485 928 2 m s 處產生寬度為81192 Ls的高電平, 但由于存在數據建立時間和保持時間, 仿真結果中的變化時刻并不是嚴格與計算相符的, 其中q0, q1,q2, q3 是第5 片74161 的輸出, roc1 是第4 片的進位輸出,roc 是第5 片的進位輸出, roc1 輸出16 個高電平后, roc 同時輸出一個高電平。圖4 中復位信號reset 卻在51247 m s和101485 297 9m s 處發生。第一個錯誤的原因是, 由于計數器累加, 內部走線造成的延時, 當第5 片計數器從0111狀態跳變到1 000 時, 輸入同時有3 位變化, 致使進位輸出roc 在roc1 的第8 個輸出時產生了一個尖脈沖, 使觸發器的Q 端提前發生電平轉變, 導致了在51247 m s 處產生錯誤復位信號。同樣的原因, 第4 片的進位輸出roc1 在第14 個輸出跳變到第15 個輸出時發生毛刺, 而該毛刺使第5 片161 進入計數狀態, 在roc 端也產生了毛刺, 就出現了圖4 中復位信號提前翻轉的結果。

對于該電路中存在的毛刺問題, 可以采用2 種方法修改電路。由于該電路對時間要求的不是很嚴格, 對第4, 5 片74L S161 取1110 狀態做最后輸出, 就避免了由延遲造成的假象全1 狀態, 仿真結果證明這種方法是有效的。但這種方法增加了邏輯門數量, 同時也增加了險象發生的可能性。

另一種比較可靠且常用的方法是用帶使能端的D 觸發器代替原來的觸發器, 把計數器最后的輸出roc 接到觸發器的使能端, 時鐘用統一的計數時鐘, 由于毛刺本身是尖脈沖, 不能滿足數據的建立時間和保持時間, 避免了產生的毛刺對Q 的輸出的影響。從仿真結果(圖5) 中可以看到, 雖然這種方法并不能消除毛刺, 但是毛刺已經不具有危害性, 故這是一種簡單有效的方法。

5　結　語

任何組合電路、反饋電路和計數器都可能是潛在的毛刺信號發生器, 但毛刺并不是對所有輸入都有危害, 如觸發器的D 輸入端, 只要毛刺不出現在時鐘的上升沿并滿足數據的建立保持時間, 就不會對系統造成危害。而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(CL EAR)、預置信號(PRESET)、時鐘輸入信號(CL K) 或鎖存器的輸入信號時就會產生邏輯錯誤。在實際設計過程中, 應盡量避免將帶有毛刺的信號直接接入對毛刺敏感的輸入端上, 對于產生的毛刺, 應仔細分析毛刺的來源和性質, 針對不同的信號, 采取不同的解決方法加以消除。毛刺問題在FPGA 設計中非常關鍵, 只有深刻理解毛刺的本質, 才有可能真正掌握設計的精髓, 本文就FPGA 設計中的毛刺問題進行了深入的探討, 分析其產生的原因和條件, 給出了幾種常用的消除方法, 希望對FPGA 設計者有一定的參考作用。

參考文獻
[1 ] 王毓銀1 數字電路邏輯設計[M ] 1 北京: 高等教育出版社,19991
[2 ] 宋萬杰1CPLD 技術及其應用[M ] 1 西安: 西安電子科技大學出版社, 19991
[ 3 ] 朱建軍1 關于毛刺問題的探討[ EB/OL ] 1http: 2004. 51