基于FPGA的時(shí)鐘設(shè)計(jì)

對于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來說，全局時(shí)鐘是最簡單和最可預(yù)測的時(shí)鐘。在PLD／FPGA設(shè)計(jì)中最好的時(shí)鐘方案是由專用的全局時(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都具有專門的全局時(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)。

1 全局時(shí)鐘
全局時(shí)鐘的實(shí)例如圖1所示。圖1中定時(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)手冊中給出，也可用軟件的定時(shí)分析器計(jì)算出來。如果在應(yīng)用中不能滿足建立和保持時(shí)間的要求，則必須用時(shí)鐘同步輸入信號。

2 門控時(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)成門控時(shí)鐘。門控時(shí)鐘常常同微處理器接口有關(guān)，用地址線去控制寫脈沖。然而，每當(dāng)用組合函數(shù)鐘控觸發(fā)器時(shí)，通常都存在著門控時(shí)鐘。如果符合下述條件，門控時(shí)鐘可以象全局時(shí)鐘一樣可靠地工作，圖2所示是一個(gè)可靠的門控時(shí)鐘電路。

(1)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的邏輯必須只包含一個(gè)“與”門或一個(gè)“或”門。如果采用任何附加邏輯在某些工作狀態(tài)下，會出現(xiàn)競爭產(chǎn)生的毛刺。
(2)邏輯門的一個(gè)輸入作為實(shí)際的時(shí)鐘，而該邏輯門的所有其他輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對于時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間的約束。
在設(shè)計(jì)中可以將門控時(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3示出如何用全局時(shí)鐘重新設(shè)計(jì)圖2所示的電路。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)。