8、FPGA時(shí)鐘系統(tǒng)

　　1. FPGA的全局時(shí)鐘是什么？

　　FPGA的全局時(shí)鐘應(yīng)該是從晶振分出來(lái)的，最原始的頻率。其他需要的各種頻率都是在這個(gè)基礎(chǔ)上利用PLL或者其他分頻手段得到的。

　　2. 全局時(shí)鐘和BUFG:

　　BUFG，輸入為固定管腳，輸出為H型全銅全局高速網(wǎng)絡(luò)，這樣抖動(dòng)和到任意觸發(fā)器的延時(shí)差最小，這個(gè)也就是FPGA做同步設(shè)計(jì)可以不需要做后仿真的原因。

　　全局時(shí)鐘：今天我們從另一個(gè)角度來(lái)看一下時(shí)鐘的概念：時(shí)鐘是D觸發(fā)器的重要組成部分，一個(gè)有效邊沿使得D觸發(fā)器進(jìn)行一次工作。而更多的時(shí)候，D觸發(fā)器保持住上次的值。對(duì)于D觸發(fā)器來(lái)說(shuō)，可以將輸入信號(hào)和時(shí)鐘作比較。也許你會(huì)問(wèn)，這么比較有什么意義。首先看我們比較得出什么東西：

　　翻轉(zhuǎn)率：R=Dr/Crx100%

　　就是D觸發(fā)器改變一次值與時(shí)鐘有效沿個(gè)數(shù)的比值。

　　舉例:你寫(xiě)了一個(gè)來(lái)一個(gè)時(shí)鐘有效沿就取一次反的電路，那么他的翻轉(zhuǎn)率就是100%，翻轉(zhuǎn)率和你的FPGA的功率有很大關(guān)系，翻轉(zhuǎn)率越高，F(xiàn)PGA功率越高。

　　3. 全局時(shí)鐘不夠用是什么意思？

　　因?yàn)槿謺r(shí)鐘需要驅(qū)動(dòng)很多模塊，所以全局時(shí)鐘引腳需要有很大的驅(qū)動(dòng)能力，F(xiàn)PGA一般都有一些專(zhuān)門(mén)的引腳用于作為全局時(shí)鐘用，他們的驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)。但是如果這些引腳用完了，就只能用一般的引腳了，而他們的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，有可能不能滿(mǎn)足你的時(shí)序要求。(驅(qū)動(dòng)能力小的，產(chǎn)生的延遲會(huì)大一些)

　　理論上，F(xiàn)PGA的任意一個(gè)管腳都可以作為時(shí)鐘輸入端口，但是FPGA專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了全局時(shí)鐘，全局時(shí)鐘總線是一條專(zhuān)用總線，到達(dá)片內(nèi)各部分觸發(fā)器的時(shí)間最短，所以用全局時(shí)鐘芯片工作最可靠，但是如果你設(shè)計(jì)的時(shí)候時(shí)鐘太多，F(xiàn)PGA上的全局時(shí)鐘管腳用完了就出現(xiàn)不夠用的情況。

　　4. 什么是第二全局時(shí)鐘？

　　比如我有一個(gè)同步使能信號(hào)，連接到FPGA內(nèi)部80%的資源(但不是時(shí)鐘),這個(gè)時(shí)候，你的信號(hào)走線到達(dá)各個(gè)D觸發(fā)器的延遲差很大，或者翻轉(zhuǎn)率比較大的時(shí)候(>40%)，這個(gè)時(shí)候你就需要使用第二全局時(shí)鐘資源。

　　第二全局時(shí)鐘資源的驅(qū)動(dòng)能力和時(shí)鐘抖動(dòng)延遲等指標(biāo)僅次于全局時(shí)鐘信號(hào)。第二全局時(shí)鐘資源其實(shí)是通過(guò)片內(nèi)的高速行列總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不像全局時(shí)鐘總線是一條專(zhuān)用總線。第二全局時(shí)鐘總線是通過(guò)軟件布線得到的，所以硬指標(biāo)肯定是拼不過(guò)全局時(shí)鐘總線。特別是當(dāng)你在已經(jīng)有80%以上的布線率的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)約束第二全局時(shí)鐘資源失敗的情況。

　　5.CCLK:

　　CCLK：FPGA同步配置時(shí)鐘。如果配置模式為主模式，則該時(shí)鐘由FPGA器件生成，并輸出；如果配置模式為從模式，則該時(shí)鐘由外部提供；

　　當(dāng)所配置的數(shù)據(jù)存放在PROM中，即通過(guò)PROM來(lái)配置器件時(shí)，必須選擇CCLK時(shí)鐘；

　　USER CLOCK：用戶(hù)定義的配置時(shí)鐘信號(hào)，該配置時(shí)鐘目前很少采用;

　　JTAG CLOCK：JTAG模式的配置時(shí)鐘，該時(shí)鐘提供給內(nèi)部的JTAG控制邏輯。

　　默認(rèn)值為：CCLK

　　6. CCLK是怎么產(chǎn)生的：

　　CCLK的產(chǎn)生根據(jù)配置模式不同而不同，如果設(shè)置為Master模式，則由內(nèi)部的震蕩電路產(chǎn)生，作為外部ROM的工作時(shí)鐘，默認(rèn)為6MHZ，可通過(guò)配置選項(xiàng)設(shè)置；如果設(shè)置為Slave模式，則由計(jì)算機(jī)(或其他下載設(shè)備)提供，作為芯片內(nèi)部下載電路的工作時(shí)鐘；在JTAG模式情況下，CCLK不輸出，此時(shí)芯片內(nèi)部下載電路時(shí)鐘由內(nèi)部震蕩電路提供，TCK僅用作邊界掃描相關(guān)電路時(shí)鐘。

　　補(bǔ)充：FPGA的主配置模式中，CCLK信號(hào)是如何產(chǎn)生的？

　　CCLK是由FPGA內(nèi)部一個(gè)晶振電路產(chǎn)生的，同時(shí)ISE的軟件在生成BIT流文件時(shí)，有個(gè)CCLK CONFIG選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)只有在時(shí)鐘為CCLK時(shí)才可以起作用，可以在4-60MHz選擇，可以控制CCLK的頻率。

　　在主從模式配置，配置數(shù)據(jù)的前60個(gè)字節(jié)導(dǎo)入FPGA之前，CCLK一直是2.5MHz，接下來(lái)由于前60個(gè)配置字節(jié)的作用，CCLK改為CONFIG設(shè)定的頻率，直到結(jié)束，一般CONFIG默認(rèn)的頻率是4MHz.

　　7. FPGA中全局時(shí)鐘怎么用??？是把時(shí)鐘接到FPGA的全局時(shí)鐘輸入引腳后，就起到全局時(shí)鐘的作用了，還是在編譯時(shí)需要制定某個(gè)時(shí)鐘為全局時(shí)鐘阿？

　　其實(shí)全局時(shí)鐘的使用關(guān)鍵在你的代碼… 如果你的代碼中只用了一個(gè)時(shí)鐘作為所有的或者大部分觸發(fā)器的時(shí)鐘，編譯器自然會(huì)把它編譯為全局時(shí)鐘。當(dāng)然硬件連接上還是用全局時(shí)鐘引腳較好，尤其是帶PLL的，不是所有的全局時(shí)鐘腳都能用PLL。

　　無(wú)淪是用離散邏輯、可編程邏輯，還是用全定制硅器件實(shí)現(xiàn)的任何數(shù)字設(shè)計(jì)，為了成功地操作，可靠的時(shí)鐘是非常關(guān)鍵的。設(shè)計(jì)不良的時(shí)鐘在極限的溫度、電壓或制造工藝的偏差情況下將導(dǎo)致錯(cuò)誤的行為，并且調(diào)試?yán)щy、花銷(xiāo)很大。 在設(shè)計(jì)PLD/FPGA時(shí)通常采用幾種時(shí)鐘類(lèi)型。時(shí)鐘可分為如下四種類(lèi)型：全局時(shí)鐘、門(mén)控時(shí)鐘、多級(jí)邏輯時(shí)鐘和波動(dòng)式時(shí)鐘。多時(shí)鐘系統(tǒng)能夠包括上述四種時(shí)鐘類(lèi)型的任意組合。

　　1．全局時(shí)鐘

　　對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，全局時(shí)鐘(或同步時(shí)鐘)是最簡(jiǎn)單和最可預(yù)測(cè)的時(shí)鐘。在PLD/FPGA設(shè)計(jì)中最好的時(shí)鐘方案是：由專(zhuān)用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)的單個(gè)主時(shí)鐘去鐘控設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采用全局時(shí)鐘。PLD/FPGA都具有專(zhuān)門(mén)的全局時(shí)鐘引腳，它直接連到器件中的每一個(gè)寄存器。這種全局時(shí)鐘提供器件中最短的時(shí)鐘到輸出的延時(shí)。

　　圖1 示出全局時(shí)鐘的實(shí)例。圖1 定時(shí)波形示出觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入D[1..3]應(yīng)遵守建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束條件。建立和保持時(shí)間的數(shù)值在PLD數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，也可用軟件的定時(shí)分析器計(jì)算出來(lái)。如果在應(yīng)用中不能滿(mǎn)足建立和保持時(shí)間的要求，則必須用時(shí)鐘同步輸入信號(hào)(參看下一章“異步輸入”)。

　　圖1 全局時(shí)鐘

　?。ㄗ詈玫姆椒ㄊ怯萌謺r(shí)鐘引腳去鐘控PLD內(nèi)的每一個(gè)寄存器，于是數(shù)據(jù)只要遵守相對(duì)時(shí)鐘的建立時(shí)間tsu和保持時(shí)間th）

　　2．門(mén)控時(shí)鐘

　　在許多應(yīng)用中，整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目都采用外部的全局時(shí)鐘是不可能或不實(shí)際的。PLD具有乘積項(xiàng)邏輯陣列時(shí)鐘（即時(shí)鐘是由邏輯產(chǎn)生的），允許任意函數(shù)單獨(dú)地鐘控各個(gè)觸發(fā)器。然而，當(dāng)你用陣列時(shí)鐘時(shí)，應(yīng)仔細(xì)地分析時(shí)鐘函數(shù)，以避免毛刺。

　　通常用陣列時(shí)鐘構(gòu)成門(mén)控時(shí)鐘。門(mén)控時(shí)鐘常常同微處理器接口有關(guān)，用地址線去控制寫(xiě)脈沖。然而，每當(dāng)用組合函數(shù)鐘控觸發(fā)器時(shí)，通常都存在著門(mén)控時(shí)鐘。如果符合下述條件，門(mén)控時(shí)鐘可以象全局時(shí)鐘一樣可靠地工作：

　　1.驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的邏輯必須只包含一個(gè)“與”門(mén)或一個(gè)“或”門(mén)。如果采用任何附加邏在某些工作狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的毛刺。

　　2.邏輯門(mén)的一個(gè)輸入作為實(shí)際的時(shí)鐘，而該邏輯門(mén)的所有其它輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對(duì)于時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間的約束。

　　圖2和圖3 是可靠的門(mén)控時(shí)鐘的實(shí)例。在 圖2 中，用一個(gè)“與”門(mén)產(chǎn)生門(mén)控時(shí)鐘，在 圖3 中，用一個(gè)“或”門(mén)產(chǎn)生門(mén)控時(shí)鐘。在這兩個(gè)實(shí)例中，引腳nWR和nWE考慮為時(shí)鐘引腳，引腳ADD[o．．3]是地址引腳，兩個(gè)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)是信號(hào)D[1..n]經(jīng)隨機(jī)邏輯產(chǎn)生的。

　　圖2 “與”門(mén)門(mén)控時(shí)鐘

　　圖3 “或”門(mén)門(mén)控時(shí)鐘

　　圖2和圖3 的波形圖顯示出有關(guān)的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。這兩個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的地址線必須在時(shí)鐘保持有效的整個(gè)期間內(nèi)保持穩(wěn)定(nWR和nWE是低電平有效)。如果地址線在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未保持穩(wěn)定，則在時(shí)鐘上會(huì)出現(xiàn)毛刺，造成觸發(fā)器發(fā)生錯(cuò)誤的狀態(tài)變化。另一方面，數(shù)據(jù)引腳D[1．．n]只要求在nWR和nWE的有效邊沿處滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的建立和保持時(shí)間的規(guī)定。

　　我們往往可以將門(mén)控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成全局時(shí)鐘以改善設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性。圖4 示出如何用全局時(shí)鐘重新設(shè)計(jì) 圖2 的電路。地址線在控制D觸發(fā)器的使能輸入，許多PLD設(shè)計(jì)軟件，如MAX+PLUSII軟件都提供這種帶使能端的D觸發(fā)器。當(dāng)ENA為高電平時(shí)，D輸入端的值被鐘控到觸發(fā)器中：當(dāng)ENA為低電平時(shí)，維持現(xiàn)在的狀態(tài)。

　　圖4 “與”門(mén)門(mén)控時(shí)鐘轉(zhuǎn)化成全局時(shí)鐘

　　圖4 中重新設(shè)計(jì)的電路的定時(shí)波形表明地址線不需要在nWR有效的整個(gè)期間內(nèi)保持穩(wěn)定；而只要求它們和數(shù)據(jù)引腳一樣符合同樣的建立和保持時(shí)間，這樣對(duì)地址線的要求就少很多。

　　圖 給出一個(gè)不可靠的門(mén)控時(shí)鐘的例子。3位同步加法計(jì)數(shù)器的RCO輸出用來(lái)鐘控觸發(fā)器。然而，計(jì)數(shù)器給出的多個(gè)輸入起到時(shí)鐘的作用，這違反了可靠門(mén)控時(shí)鐘所需的條件之一。在產(chǎn)生RCO信號(hào)的觸發(fā)器中，沒(méi)有一個(gè)能考慮為實(shí)際的時(shí)鐘線，這是因?yàn)樗杏|發(fā)器在幾乎相同的時(shí)刻發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而我們并不能保證在PLD/FPGA內(nèi)部QA,QB,QC到D觸發(fā)器的布線長(zhǎng)短一致，因此，如 圖5 的時(shí)間波形所示，在器從3計(jì)到4時(shí)，RCO線上會(huì)出現(xiàn)毛刺（假設(shè)QC到D觸發(fā)器的路徑較短，即QC的輸出先翻轉(zhuǎn)）。

　　圖5 不可靠的門(mén)控時(shí)鐘

　　(定時(shí)波形示出在計(jì)數(shù)器從3到4改變時(shí)，RCO信號(hào)如何出現(xiàn)毛刺的)

　　圖6 給出一種可靠的全局鐘控的電路，它是圖5不可靠計(jì)數(shù)器電路的改進(jìn)，RCO控制D觸發(fā)器的使能輸入。這個(gè)改進(jìn)不需要增加PLD的邏輯單元。

　　圖6 不可靠的門(mén)控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為全局時(shí)鐘

　　(這個(gè)電路等效于圖5電路，但卻可靠的多)

　　3．多級(jí)邏輯時(shí)鐘

　　當(dāng)產(chǎn)生門(mén)控時(shí)鐘的組合邏輯超過(guò)一級(jí)(即超過(guò)單個(gè)的“與”門(mén)或“或”門(mén))時(shí)，證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的可靠性變得很困難。即使樣機(jī)或仿真結(jié)果沒(méi)有顯示出靜態(tài)險(xiǎn)象，但實(shí)際上仍然可能存在著危險(xiǎn)。通常，我們不應(yīng)該用多級(jí)組合邏輯去鐘控PLD設(shè)計(jì)中的觸發(fā)器。

　　圖7給出一個(gè)含有險(xiǎn)象的多級(jí)時(shí)鐘的例子。時(shí)鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時(shí)鐘(CLK)和該時(shí)鐘的2分頻(DIV2)。由圖7 的定時(shí)波形圖看出，在兩個(gè)時(shí)鐘均為邏輯1的情況下，當(dāng)SEL線的狀態(tài)改變時(shí)，存在靜態(tài)險(xiǎn)象。險(xiǎn)象的程度取決于工作的條件。 多級(jí)邏輯的險(xiǎn)象是可以去除的。例如，你可以插入“冗余邏輯”到設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。然而，PLD/FPGA編譯器在邏輯綜合時(shí)會(huì)去掉這些冗余邏輯，使得驗(yàn)證險(xiǎn)象是否真正被去除變得困難了。為此，必須應(yīng)尋求其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的功能。

　　圖8給出圖7電路的一種單級(jí)時(shí)鐘的替代方案。圖中SEL引腳和DIV2信號(hào)用于使能D觸發(fā)器的使能輸入端，而不是用于該觸發(fā)器的時(shí)鐘引腳。采用這個(gè)電路并不需要附加PLD的邏輯單元，工作卻可靠多了。 不同的系統(tǒng)需要采用不同的方法去除多級(jí)時(shí)鐘，并沒(méi)有固定的模式。

　　圖7 無(wú)靜態(tài)險(xiǎn)象的多級(jí)時(shí)鐘

　?。ㄟ@個(gè)電路邏輯上等效于圖7，但卻可靠的多）

　　4．行波時(shí)鐘

　　另一種流行的時(shí)鐘電路是采用行波時(shí)鐘，即一個(gè)觸發(fā)器的輸出用作另一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。如果仔細(xì)地設(shè)計(jì)，行波時(shí)鐘可以象全局時(shí)鐘一樣地可靠工作。然而，行波時(shí)鐘使得與電路有關(guān)的定時(shí)計(jì)算變得很復(fù)雜。行波時(shí)鐘在行波鏈上各觸發(fā)器的時(shí)鐘之間產(chǎn)生較大的時(shí)間偏移，并且會(huì)超出最壞情況下的建立時(shí)間、保持時(shí)間和電路中時(shí)鐘到輸出的延時(shí)，使系統(tǒng)的實(shí)際速度下降。

　　用計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)型觸發(fā)器構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器時(shí)常采用行波時(shí)鐘，一個(gè)觸發(fā)器的輸出鐘控下一個(gè)觸發(fā)器的輸入，參看圖9 同步計(jì)數(shù)器通常是代替異步計(jì)數(shù)器的更好方案，這是因?yàn)閮烧咝枰瑯佣嗟暮陠卧接?jì)數(shù)器有較快的時(shí)鐘到輸出的時(shí)間。圖10 給出具有全局時(shí)鐘的同步計(jì)數(shù)器，它和 圖9 功能相同，用了同樣多的邏輯單元實(shí)現(xiàn)，卻有較快的時(shí)鐘到輸出的時(shí)間。幾乎所有PLD開(kāi)發(fā)軟件都提供多種多樣的同步計(jì)數(shù)器。

　　圖9 行波時(shí)鐘

　　圖10 行波時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成全局時(shí)鐘

　　(這個(gè)3位計(jì)數(shù)器是圖9異步計(jì)數(shù)器的替代電路，它用了同樣的3個(gè)宏單元，但有更短的時(shí)鐘到輸出的延時(shí))

　　5. 多時(shí)鐘系統(tǒng)

　　許多系統(tǒng)要求在同一個(gè)PLD內(nèi)采用多時(shí)鐘。最常見(jiàn)的例子是兩個(gè)異步微處理器器之間的接口，或微處理器和異步通信通道的接口。由于兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間要求一定的建立和保持時(shí)間，所以，上述應(yīng)用引進(jìn)了附加的定時(shí)約束條件。它們也會(huì)要求將某些異步信號(hào)同步化。

　　圖11 給出一個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng)的實(shí)例。CLK_A用以鐘控REG_A，CLK_B用于鐘控REG_B，由于REG_A驅(qū)動(dòng)著進(jìn)入REG_B的組合邏輯，故CLK_A的上升沿相對(duì)于CLK_B的上升沿有建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。由于REG_B不驅(qū)動(dòng)饋到REG_A的邏輯，CLK_B的上升沿相對(duì)于CLK_A沒(méi)有建立時(shí)間的要求。此外，由于時(shí)鐘的下降沿不影響觸發(fā)器的狀態(tài)，所以CLK_A和CLK_B的下降沿之間沒(méi)有時(shí)間上的要求。， 如圖4，2．II所示，電路中有兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，可是，在它們之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求是不能保證的。在這種情況下，必須將電路同步化。圖12 給出REG_A的值(如何在使用前)同CLK_B同步化。新的觸發(fā)器REG_C由GLK_B觸控，保證REG_G的輸出符合REG_B的建立時(shí)間。然而，這個(gè)方法使輸出延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期。

　　圖ll 多時(shí)鐘系統(tǒng)

　　(定時(shí)波形示出CLK_A的上升沿相對(duì)于CLK_B的上升沿有建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束條件)

　　圖12 具有同步寄存器輸出的多時(shí)鐘系統(tǒng)

　　(如果CLK_A和CLK_B是相互獨(dú)立的，則REG—A的輸出必須在它饋送到1REG_B之前，用REG_C同步化)

　　在許多應(yīng)用中只將異步信號(hào)同步化還是不夠的，當(dāng)系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上非同源時(shí)鐘的時(shí)候，數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間很難得到保證，我們將面臨復(fù)雜的時(shí)間問(wèn)題。最好的方法是將所有非同源時(shí)鐘同步化。使用PLD內(nèi)部的鎖項(xiàng)環(huán)（PLL或DLL）是一個(gè)效果很好的方法，但不是所有PLD都帶有PLL、DLL，而且?guī)в蠵LL功能的芯片大多價(jià)格昂貴，所以除非有特殊要求，一般場(chǎng)合可以不使用帶PLL的PLD。 這時(shí)我們需要使用帶使能端的D觸發(fā)器，并引入一個(gè)高頻時(shí)鐘。

　　圖13 不同源時(shí)鐘

　　如圖13所示，系統(tǒng)有兩個(gè)不同源時(shí)鐘，一個(gè)為3MHz，一個(gè)為5MHz，不同的觸發(fā)器使用不同的時(shí)鐘。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，我們引入一個(gè)20MHz時(shí)鐘，將3M和5M時(shí)鐘同步化，如圖15所示。 20M的高頻時(shí)鐘將作為系統(tǒng)時(shí)鐘，輸入到所有觸發(fā)器的的時(shí)鐘端。3M_EN 和5M_EN將控制所有觸發(fā)器的使能端。即原來(lái)接3M時(shí)鐘的觸發(fā)器，接20M時(shí)鐘，同時(shí)3M_EN 將控制該觸發(fā)器使能 ，原接5M時(shí)鐘的觸發(fā)器，也接20M時(shí)鐘，同時(shí)5M_EN 將控制該觸發(fā)器使能。 這樣我們就可以將任何非同源時(shí)鐘同步化。

　　圖13 同步化任意非同源時(shí)鐘

　?。ㄒ粋€(gè)DFF和后面非門(mén)，與門(mén)構(gòu)成時(shí)鐘上升沿檢測(cè)電路）

　　另外，異步信號(hào)輸入總是無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的建立保持時(shí)間，容易使系統(tǒng)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，所以也建議設(shè)計(jì)者把所有異步輸入都先經(jīng)過(guò)雙觸發(fā)器進(jìn)行同步化。

　　異步時(shí)鐘同步化

　　通過(guò)雙觸發(fā)器接口，異步信號(hào)輸入總是無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的建立保持時(shí)間，所以建議大家把所有異步輸入都先經(jīng)過(guò)雙觸發(fā)器進(jìn)行同步化。如圖所示，時(shí)鐘域clk_s傳給時(shí)鐘域clk_d的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了雙觸發(fā)器的同步處理，相同的，時(shí)鐘域clk_d經(jīng)雙觸發(fā)器傳給時(shí)鐘域clk_s的數(shù)據(jù)

　　通過(guò)高頻時(shí)鐘同步化，當(dāng)在單個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上非同源時(shí)鐘的時(shí)候，數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間很難得到保證，我們將面臨復(fù)雜的時(shí)間問(wèn)題，最好的方法是將所有非同源時(shí)鐘同步化：選用一個(gè)頻率是它們的時(shí)鐘頻率公倍數(shù)的高頻主時(shí)鐘將他們進(jìn)行同步。

　　假設(shè)系統(tǒng)有兩個(gè)不同源時(shí)鐘，一個(gè)為3MHz，一個(gè)為5MHz，不同的觸發(fā)器使用不同的時(shí)鐘。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，假設(shè)我們引入一個(gè)20MHz時(shí)鐘。

　　用modelsim仿真后得到的時(shí)序圖如圖所示

　　9、如何確定時(shí)序約束數(shù)值

　　FPGA工程的功能框圖如圖所示。上電初始，F(xiàn)PGA需要通過(guò)IIC接口協(xié)議對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行寄存器初始化配置。這個(gè)初始化的基本參數(shù)，如初始化地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)預(yù)先配置好的FPGA內(nèi)嵌ROM中。在初始化配置完成后，攝像頭就能夠持續(xù)輸出RGB標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)流，F(xiàn)PGA通過(guò)對(duì)其相應(yīng)的時(shí)鐘、行頻和場(chǎng)頻進(jìn)行檢測(cè)，從而一幀一幀的實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)。

　　采集到的視頻數(shù)據(jù)先通過(guò)一個(gè)FIFO，將原本25MHz頻率下同步的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換到100MHz頻率下。接著講這個(gè)數(shù)據(jù)再送入寫(xiě)SDRAM緩存的FIFO中，最終這個(gè)FIFO每滿(mǎn)160個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)將其寫(xiě)入SDRAM的相應(yīng)地址中。在另一側(cè)，使用另一個(gè)異步FIFO將SDRAM緩存的圖像數(shù)據(jù)送個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)模塊。LCD驅(qū)動(dòng)模塊不斷的讀出新的現(xiàn)實(shí)圖像，并且驅(qū)動(dòng)3.5寸液晶屏工作。

　　由于這個(gè)工程是移植過(guò)來(lái)的，SDRAM的時(shí)序約束已經(jīng)添加好并且很好的收斂了。但是，新增加的CMOS sensor的接口也需要做相應(yīng)的時(shí)序約束。下面我們就來(lái)探討下它的時(shí)序該如何做約束。

　　先看看CMOS Sensor的datasheet中提供的時(shí)序波形和相應(yīng)的建立、保持時(shí)間要求。波形如圖所示。

　　波形中出現(xiàn)的時(shí)間參數(shù)定義如下表所示。

　　我們可以簡(jiǎn)單分析下這個(gè)datasheet中提供的時(shí)序波形和參數(shù)提供了一些什么樣的有用信息。我們重點(diǎn)關(guān)注PCLK和D[7:0]的關(guān)系，HREF其實(shí)也可以歸類(lèi)到D[7:0]中一起分析，他們的時(shí)序關(guān)系基本是一致的（如果存在偏差，也可以忽略不計(jì)）。這個(gè)波形實(shí)際上表達(dá)的是從Sensor的芯片封裝管腳上輸出的PCLK和D[7:0]的關(guān)系。而在理想狀況下，經(jīng)過(guò)PCB走線將這組信號(hào)連接到其他的芯片上（如CPU或FPGA），若盡可能保持走線長(zhǎng)度，在其他芯片的管腳上，PCLK和D[7:0]的關(guān)系基本還是不變的。那么，對(duì)于采集端來(lái)說(shuō)，用PCLK的上升沿去鎖存D[7:0]就變得理所當(dāng)然了。而對(duì)于FPGA而言，從它的管腳到寄存器傳輸路徑上總歸是有延時(shí)存在的，那么PCLK和D[7:0]之間肯定不會(huì)是理想的對(duì)齊關(guān)系。而我們現(xiàn)在關(guān)心的是，相對(duì)于理想的對(duì)齊關(guān)系，PCLK和D[7:0]之間可以存在多大的相位偏差（最終可能會(huì)以一個(gè)延時(shí)時(shí)間范圍來(lái)表示）。在時(shí)序圖中，Tsu和Th雖然是PCLK和D[7:0]在Sensor內(nèi)部必須保證的建立時(shí)間和保持時(shí)間關(guān)系，但它同樣是Sensor的輸出管腳上，必須得到保證的基本時(shí)序關(guān)系。因此，我們可以認(rèn)為：理想相位關(guān)系情況下，PCLK上升沿之前的Tsu時(shí)間（即15ns）到上升沿后的Th時(shí)間（即8ns）內(nèi)，D[7:0]是穩(wěn)定不變的。同樣的，理想情況下，PCLK的上升沿處于D[7:0]兩次數(shù)據(jù)變化的中央。換句話說(shuō)，在D[7:0]保持當(dāng)前狀態(tài)的情況下，PCLK上升沿實(shí)際上在理想位置的Tsu時(shí)間和Th時(shí)間內(nèi)都是允許的。請(qǐng)大家記住這一點(diǎn)，下面我們需要利用這個(gè)信息對(duì)在FPGA內(nèi)部的PCLK和D[7:0]信號(hào)進(jìn)行時(shí)序約束。

　　OK，明確了PCLK和D[7:0]之間應(yīng)該保持的關(guān)系后，我們?cè)賮?lái)看看他們從CMOS Sensor的管腳輸出后，到最終在FPGA內(nèi)部的寄存器進(jìn)行采樣鎖存，這整個(gè)路徑上的各種“艱難險(xiǎn)阻”（延時(shí)）。

　　在這個(gè)路徑分析中，我們不去考慮CMOS Sensor內(nèi)部的時(shí)序關(guān)系，我們只關(guān)心它的輸出管腳上的信號(hào)。先看時(shí)鐘PCLK的路徑延時(shí)，在PCB上的走線延時(shí)為T(mén)cpcb，在FPGA內(nèi)部，從進(jìn)入FPGA的管腳到寄存器的時(shí)鐘輸入端口的延時(shí)為T(mén)cl。再看數(shù)據(jù)D[7:0]的延時(shí)，在PCB上的走線延時(shí)為T(mén)dpcb，在FPGA內(nèi)部的管腳到寄存器輸入端口延時(shí)為T(mén)p2r。而FPGA的寄存器同樣有建立時(shí)間Tsu和保持時(shí)間Th要求，也必須在整個(gè)路徑的傳輸時(shí)序中予以考慮。

　　另外，從前面的分析，我們得到了PCLK和D[7:0]之間應(yīng)該滿(mǎn)足的關(guān)系。那么，為了保證PCLK和D[7:0]穩(wěn)定考慮的得到傳輸，我們可以得到這樣一個(gè)基本的關(guān)系必須滿(mǎn)足：

　　對(duì)于建立時(shí)間，有：

　　Launch edge + Tdpcb + Tp2r + Tsu < latch edge + Tcpcb + Tcl

　　對(duì)于保持時(shí)間，有：

　　Launch edge + Tdpcb + Tr2p < latch edge + Tcpcb + Tcl – Th

　　關(guān)于launch edge和latch edge，對(duì)于我們當(dāng)前的設(shè)計(jì)，如下圖所示。

　　在對(duì)這個(gè)FPGA的input接口的時(shí)序進(jìn)行分析和約束之前，我們先來(lái)看看Altera官方是如何分析此類(lèi)管腳的時(shí)序。

　　具體問(wèn)題具體分析，我們當(dāng)前的工程，狀況和理想模型略有區(qū)別。實(shí)際上在上面這個(gè)模型的源寄存器端的很多信息都不用詳細(xì)分析，因?yàn)槲覀儷@得的波形是來(lái)自于Sensor芯片的管腳。同理，我們可以得到input delay的計(jì)算公式如下。

　　Input max delay = (0 – Tcpcb_min) + Tco_max + Tdpcb_max

　　Input min delay = (0 – Tcpcb_max) + Tco_min + Tdpcb_min

　　在這兩個(gè)公式中，參數(shù)Tco是前面我們還未曾提到的，下面我們就要分析下如何得到這個(gè)參數(shù)。Tco指的是理想情況下數(shù)據(jù)在源寄存器被源時(shí)鐘鎖存后，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間輸入到管腳上。前面我們已經(jīng)得到了PCLK和D[7:0]之間的關(guān)系，其實(shí)從已知的關(guān)系中，我們不難推斷出Tco_max和Tco_min，如圖所示。若PCLK的時(shí)鐘周期為T(mén)pclk，則：

　　Tco_max = Tpclk – Tsu

　　Tco_min = Th

　　在我們采樣的CMOS Sensor圖像中，PCLK頻率為12.5MHz，即80ns。因此，我們可以計(jì)算到：

　　Tco_max = 80ns – 15ns = 65ns

　　Tco_min = 8ns

　　我們?cè)倏纯碢CB的走線情況，算算余下和PCB走線有關(guān)的延時(shí)。

　　如圖所示，這是PCLK和D[7:0]在SF-CY3核心板上的走線。

　　如圖所示，這是PCLK和D[7:0]在SF-SENSOR子板上的走線，在這個(gè)板子上的走線由匹配電阻分兩個(gè)部分。

　　根據(jù)前面的走線長(zhǎng)度，我們可以換算一下相應(yīng)的走線延時(shí)，如下表所示。因此，我們可以得到，Tcpcb_max = 0.35ns，Tcpcb_min = 0.35ns，Tdpcb_max = 0.36ns，Tdpcb_min = 0.31ns。

　　將上面得到的具體數(shù)值都代入公式，得到：

　　Input max delay = (0 – 0.35ns) + 65ns + 0.36ns = 65.01ns

　　Input min delay = (0 – 0.35ns) + 8ns + 0.31ns = 7.96ns

　　加上一些余量，我們可以去input max delay = 66ns，input min delay = 7ns。

　　下面我們來(lái)添加時(shí)序約束，打開(kāi)TimeQuest，點(diǎn)擊菜單欄的ContraintsàCreat Clock，做如下設(shè)置。

　　點(diǎn)擊ContraintsàSet Maximum Delay，對(duì)vdb[0] vdb[1] vdb[2] vdb[3] vdb[4] vdb[5] vdb[6] vdb[7] vhref的set_max_delay做如下設(shè)置。

　　點(diǎn)擊ContraintsàSet Minimum Delay，對(duì)vdb[0] vdb[1] vdb[2] vdb[3] vdb[4] vdb[5] vdb[6] vdb[7] vhref的set_min_delay做如下設(shè)置。

　　約束完成后，參照前面章節(jié)Update Timing Netlist并且Write SDC File…，接著就可以重新編譯整個(gè)工程，再來(lái)看看這個(gè)時(shí)序分析的報(bào)告。在報(bào)告中，數(shù)據(jù)的建立時(shí)間有9-13ns的余量，而保持時(shí)間也都有7-11ns的余量，可謂余量充足。

　　另外，我們也可以專(zhuān)門(mén)找一條路徑出來(lái)，看看它的具體時(shí)序路徑的分析。vd[0]這條數(shù)據(jù)線的建立時(shí)間報(bào)告中，66ns的input max delay出現(xiàn)在了Data Arrival Path中。

　　而在vd[0]的保持時(shí)間報(bào)告中，7ns的input min delay則出現(xiàn)在了Data Arrival Path中。