現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些功能塊，來實現(xiàn)一定的邏輯功能。 FPGA可以替代其他PLD或者各種中小規(guī)模數(shù)字邏輯芯片在數(shù)字系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，也是實現(xiàn)具有不同邏輯功能ASIC的有效辦法。FPGA是進行原型設(shè)計最理想的載體，原型機的最初框架和實現(xiàn)通過PFGA來驗證，可以降低成本、縮短開發(fā)周期。

利用FPGA的可重配置功能，可以在使用過程中，在不改變所設(shè)計的設(shè)備的硬件電路情況下，改變設(shè)備的功能。但和所有的數(shù)字電路一樣，F(xiàn)PGA電路中也存在毛刺問題。它的出現(xiàn)會影響電路工作的可靠性、穩(wěn)定性，嚴重時會導致整個數(shù)字系統(tǒng)的誤動作和邏輯紊亂。在此詳細論述了解決此問題的多種方法。

2 FPGA的功能和結(jié)構(gòu)特點

2.1 FPGA的功能

FPGA的功能由邏輯結(jié)構(gòu)的配置數(shù)據(jù)決定，在工作時，這些配置數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)的SRAM或者熔絲圖上。使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要從芯片外部加載配置數(shù)據(jù)，這些配置數(shù)據(jù)可以存放在片外的EPROM或其他存儲體上，人們可以控制加載過程，在現(xiàn)場修改器件的邏輯功能。

圖1 實際邏輯電路

圖2 LUT的實現(xiàn)方式

2.2 FPGA的結(jié)構(gòu)特點

FPGA使用了可編程的查找表（Look Up Table ，LUT）結(jié)構(gòu)，LUT是可編程的最小邏輯構(gòu)成單元。大部分FPGA采用基于SRAM的查找表邏輯形成結(jié)構(gòu)，就是用SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）來構(gòu)成邏輯函數(shù)發(fā)生器。圖1、2分別是4輸入LUT的實際邏輯電路和LUT的實現(xiàn)方式。FLEX10KE系列器件的結(jié)構(gòu)和工作原理在Altera的FPGA器件中具有典型性，下面以此類器件為例，介紹PFGA的結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 FLEX10KE內(nèi)部結(jié)構(gòu)

FLEX10KE內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含嵌入式陣列塊（EAB，Embedded Array Block）、邏輯陣列塊（LAB，Logic Array Block）、快速通道（Fast Track）互連和輸入/輸出單元（I/O Element，IOE）四部分。

（1） 嵌入式陣列用來實現(xiàn)各種存儲器及復(fù)雜的邏輯功能，如數(shù)字信號處理、微控制器等。嵌入式陣列由一系列嵌入式陣列塊（EAB）構(gòu)成。EAB是在輸入輸出口上具有寄存器的能變形的RAM塊。

（2） 邏輯陣列用來實現(xiàn)普通邏輯功能，如計數(shù)器、加法器、狀態(tài)機等。邏輯陣列由一系列邏輯陣列塊（LAB）構(gòu)成。每個LAB包含八個LE和一些局部互連。LAB 構(gòu)成了FLEX10KE的“粗粒度”結(jié)構(gòu)，有利于EDA軟件進行布局布線，優(yōu)化器件的利用，提高性能。LE是FLEX10KE結(jié)構(gòu)中的最小單元，每個LE 含有一個4輸入查找表（LUT）、一個帶有同步使能的可編程觸發(fā)器（Programmable Register）、一個進位鏈（Carry Chain）和一個級連鏈（Cascade）。每個LE都能驅(qū)動LAB局部互連（LAB Local Interconnect）和快速通道互連（Fast Track Interconnect）。LE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 邏輯單元（LE）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（3） 器件內(nèi)部信號的互連和器件引出端之間的信號互連由快速通道（FastTrack）連線提供，F(xiàn)astTrack遍布于整個FLEX10KE器件，是一系列水平和垂直走向的連續(xù)式布線通道。FastTrack互連是一系列貫通器件行、列的快速連接通道。

（4） I/O引出端由一些I/O單元（IOE）驅(qū)動。IOE位于快速通道的行和列的末端，每個IOE有一個雙向I/O緩沖器和一個既可做輸入寄存器也可做輸出寄存器的觸發(fā)器。

3 競爭冒險

在組合電路中，當邏輯門有兩個互補輸入信號同時向相反狀態(tài)變化時，輸出端可能產(chǎn)生過渡干擾脈沖的現(xiàn)象，稱為競爭冒險。

3.1 FPGA中產(chǎn)生競爭冒險的原因

信號在FPGA器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時，都有一定的延時。延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時間。由于存在這兩方面因素，多路信號的電平值發(fā)生變化時，在信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，并不是同時變化，往往會出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號稱為“毛刺”。如果一個組合邏輯電路中有“毛刺”出現(xiàn)，就說明該電路存在“冒險”。（與分立元件不同，由于PLD內(nèi)部不存在寄生電容電感，這些毛刺將被完整的保留并向下一級傳遞，因此毛刺現(xiàn)象在PLD、FPGA 設(shè)計中尤為突出）

3.2 FPGA中競爭冒險的危害

圖5給出了一個邏輯冒險的例子，從圖6的仿真波形可以看出，“A、B、C、D”四個輸入信號經(jīng)過布線延時以后，高低電平變換不是同時發(fā)生的，這導致輸出信號“OUT”出現(xiàn)了毛刺。而當數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定的時候，毛刺信號也就自然消失了?？梢愿爬ǖ闹v，只要輸入信號不同時變化，（經(jīng)過內(nèi)部走線）組合邏輯必將產(chǎn)生毛刺。將它們的輸出直接連接到時鐘輸入端、清零或置位端口的設(shè)計方法是錯誤的，這可能會導致嚴重的后果。而現(xiàn)在FPGA設(shè)計中的信號往往是由時鐘控制的，多數(shù)據(jù)輸入的復(fù)雜運算系統(tǒng)，甚至每個數(shù)據(jù)都由相當多的位數(shù)組成。這時，每一級的毛刺都會對結(jié)果有嚴重的影響，如果是多級的設(shè)計，那么毛刺累加后甚至會影響整個設(shè)計的可靠性和精確性。時鐘端口、清零和置位端口對毛刺信號十分敏感，任何一點毛刺都可能會使系統(tǒng)出錯，因此判斷邏輯電路中是否存在冒險以及如何避免冒險是設(shè)計人員必須要考慮的問題。

圖5 一個邏輯冒險的例子

圖6 仿真波形

任何組合電路、反饋電路和計數(shù)器都可能是潛在的毛刺信號發(fā)生器。毛刺并不是對所有輸入都有危害，如觸發(fā)器的Ｄ輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的上升沿并滿足數(shù)據(jù)的建立保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害。而當毛刺信號成為系統(tǒng)的啟動信號、控制信號、握手信號，觸發(fā)器的清零信號（CLEAR）、預(yù)置信號（PRESET）、時鐘輸入信號（CLK）或鎖存器的輸入信號就會產(chǎn)生邏輯錯誤。任何一點毛刺都可能使系統(tǒng)出錯。

3 毛刺的消除

3.1 利用冗余項消除毛刺

函數(shù)式和真值表所描述的是靜態(tài)邏輯，而競爭則是從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的過程。因此競爭是動態(tài)過程，它發(fā)生在輸入變量變化時。此時，修改卡諾圖，增加多余項，在卡諾圖的兩圓相切處增加一個圓，可以消除邏輯冒險。但該法對于計數(shù)器型產(chǎn)生的毛刺是無法消除的。

3.2 采用格雷碼

我們可以通過改變設(shè)計，破壞毛刺產(chǎn)生的條件，來減少毛刺的發(fā)生。例如，在數(shù)字電路設(shè)計中，常常采用格雷碼計數(shù)器取代普通的二進制計數(shù)器，這是因為格雷碼計數(shù)器的輸出每次只有一位跳變，消除了競爭冒險的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。

3.3 采樣法

由于冒險出現(xiàn)在變量發(fā)生變化的時刻，如果待信號穩(wěn)定之后加入取樣脈沖，那么就只有在取樣脈沖作用期間輸出的信號才能有效。這樣可以避免產(chǎn)生的毛刺影響輸出波形。

一般說來，冒險出現(xiàn)在信號發(fā)生電平轉(zhuǎn)換的時刻，也就是說在輸出信號的建立時間內(nèi)會發(fā)生冒險，而在輸出信號的保持時間內(nèi)是不會有毛刺信號出現(xiàn)的。如果在輸出信號的保持時間內(nèi)對其進行“采樣”，就可以消除毛刺信號的影響。

有兩種基本的采樣方法：一種方法是在輸出信號的保持時間內(nèi)，用一定寬度的高電平脈沖與輸出信號做邏輯“與”運算，由此獲取輸出信號的電平值。圖7說明了這種方法，采樣脈沖信號從輸入引腳“SAMPLE”引入。油？的仿真波形上可以看出，毛刺信號出現(xiàn)在“TEST”引腳上，而“OUT”引腳上的毛刺已被消除了。

圖7 采樣法一

圖8 采樣法一仿真波形

上述方法的一個缺點是必須人為的保證sample信號必須在合適的時間中產(chǎn)生，另一種更常見的方法是利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺信號不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號，這種方法類似于將異步電路轉(zhuǎn)化為同步電路。圖9給出了這種方法的示范電路，圖 10是仿真波形。在仿真時，我們也可能會發(fā)現(xiàn)在FPGA器件對外輸出引腳上有輸出毛刺，但由于毛刺很短，加上PCB本身的寄生參數(shù)，大多數(shù)情況下，毛刺通過PCB走線，基本可以自然被慮除，不用再外加阻容濾波。

圖9 采樣法二

圖10 采樣法二仿真波形

3.4 吸收法

增加輸出濾波，在輸出端接上小電容Ｃ可以濾除毛刺，圖11所示。但輸出波形的前后沿將變壞，在對波形要求較嚴格時，應(yīng)再加整形電路，該方法不宜在中間級使用。

圖11 吸收法消除毛刺圖

3.5 延遲辦法

因為毛刺最終是由于延遲造成的，所以可以找出產(chǎn)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。當需要對某一信號作一段延時時，初學者往往在此信號后串接一些非門或其它門電路，此方法在分離電路中是可行的。但在FPGA中，開發(fā)軟件在綜合設(shè)計時會將這些門當作冗余邏輯去掉，達不到延時的效果。用Altera公司的 MaxplusII開發(fā)FPGA時，可以通過插入一些LCELL原語或調(diào)用延時線模塊來產(chǎn)生一定的延時，但這樣形成的延時在FPGA芯片中并不穩(wěn)定，會隨溫度等外部環(huán)境的改變而改變，因此并不提倡這樣。

在此，可以用高頻時鐘來驅(qū)動一移位寄存器，待延時信號作數(shù)據(jù)輸入，按所需延時正確設(shè)置移位寄存器的級數(shù)，移位寄存器的輸出即為延時后的信號。在此以實現(xiàn)雙口RAM的讀寫時序中IDT7132的讀時序為例，時序圖如圖12所示。無論用CE還是OE來控制讀取，都需要CE或OE保持一段低電平。令OE保持低電平，CE平時為高電平，讀雙口RAM時觸發(fā)CE變?yōu)榈碗娖剑舆t一小段時間再恢復(fù)高電平。本設(shè)計產(chǎn)生這段延時的方法是用高頻計數(shù)器產(chǎn)生，具體方法為：在FPGA中設(shè)計一個計數(shù)器，取系統(tǒng)可用的高頻時鐘（周期小于所需延時）驅(qū)動它計數(shù)，計到設(shè)定好的終值時產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。不同的計數(shù)終值可以產(chǎn)生不同的延時。此方法所產(chǎn)生的延時為高頻時鐘周期的整數(shù)倍，若高頻時鐘周期與所需延時相比很小，則延時較精確，否則只能做一粗略的延時。

圖12 雙口RAM IDT7132讀操作時序圖

4 FPGA設(shè)計中避免毛刺的其他注意事項

4.1 電路選用

要用寄存器和觸發(fā)器設(shè)計電路，盡量不要用鎖存器，因它對輸入信號的毛刺太敏感。如果堅持用鎖存器設(shè)計必須保證輸入信號絕對沒有毛刺，且滿足保持時間。

4.2 譯碼器

設(shè)計設(shè)計譯碼邏輯電路時必須十分小心，因為譯碼器和比較器本身會產(chǎn)生尖峰，容易產(chǎn)生毛刺，把譯碼器或比較器的輸出直接連到時鐘輸入端或異步清除端，會造成嚴重的后果。

4.3 避免隱含RS觸發(fā)器

應(yīng)該盡量避免隱含RS觸發(fā)器的出現(xiàn)。一般要控制輸出被直接反饋到輸入端，采用反饋環(huán)路會出現(xiàn)隱含RS觸發(fā)器，其對輸入尖峰和假信號很敏感，輸入端有任何變化都有可能使輸出值立刻改變，此時易造成毛刺的產(chǎn)生，導致時序的嚴重混亂。一旦具有隱含的RS觸發(fā)器，加鎖存器消除毛刺是不能解決問題的。此時只有通過全面修改電路來從根本上解決。

4.4 避免使用多時鐘設(shè)計

每一個模塊中只用一個時鐘，避免使用多時鐘設(shè)計，同時避免使用主時鐘分頻后的二次時鐘作為時序器件的時鐘輸入，因為二次時鐘相對于一次時鐘可能存在過大的時鐘歪斜。對所有模塊的輸入時鐘、輸入信號、輸出信號都用Ｄ觸發(fā)器或寄存器進行同步處理，即輸出信號直接來自觸發(fā)器或寄存器的輸出端。這樣可以消除尖峰和毛刺信號。不論是控制信號還是地址總線信號、數(shù)據(jù)總線信號，都要采用另外的寄存器，以使內(nèi)部歪斜的數(shù)據(jù)變成同步數(shù)據(jù)。這些表面上看似乎無用的操作可以大大提高電路系統(tǒng)的性能。

4.5 避免使用延遲線

應(yīng)該盡量避免使用延遲線，因它對工藝過程的變化極為敏感，會大大降低電路的穩(wěn)定性和可靠性，并將為測試帶來麻煩。

4.6 充分利用資源

大部分FPGA器件都為時鐘、復(fù)位、預(yù)置等信號提供特殊的全局布線資源，要充分利用這些資源。這樣可以減少電路中的毛刺并且大大提高設(shè)計電路的性能。

4.7 不要期望仿真器替你找到毛刺錯誤

注意仿真結(jié)果和實際綜合的電路的不一致性。無論是時序電路還是異步邏輯電路，其行為與其仿真器結(jié)果都是不完全一樣的。特別是異步邏輯電路，仿真結(jié)果將會隱藏競爭冒險和毛刺現(xiàn)象，與實際行為相差較遠。故在FPGA設(shè)計中，對每一個邏輯門、每一行VHDL （Verilof）語言，必須完全理解，不要期望仿真器替你找到錯誤。

使用FPGA開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間、減少PCB 面積、提高系統(tǒng)的可靠性。它的這些優(yōu)點使得FPGA技術(shù)得到飛速的發(fā)展，已經(jīng)在通信、電子、信號處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著FPGA容量的增加，SOPC （可編程芯片上系統(tǒng)）SOPC（對信號的處理和整個系統(tǒng)的控制）的應(yīng)用時代即將到來。SOPC既有嵌入處理器、I/O電路和大規(guī)模嵌入存儲器，也有 CPLD／FPGA，用戶可以選擇。同時也可以選擇PLD公司提供的FPGA IP Intellectual Property內(nèi)核。使用IP核能保證系統(tǒng)級芯片的開發(fā)效率、質(zhì)量，并能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。

5 結(jié)束語

FPGA已成為解決系統(tǒng)級設(shè)計的重要選擇方案之一。因而毛刺是設(shè)計系統(tǒng)中不可忽視的問題，實際電路中它常惹出很多的麻煩。本文結(jié)合FPGA的特點，論述了如何解決FPGA設(shè)計中的毛刺問題。增強電路的穩(wěn)定性和可靠性，并為實際電路的測試帶來方便。