時(shí)鐘是整個(gè)電路最重要、最特殊的信號(hào)，系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動(dòng)作都是在時(shí)鐘的跳變沿上進(jìn)行， 這就要求時(shí)鐘信號(hào)時(shí)延差要非常小， 否則就可能造成時(shí)序邏輯狀態(tài)出錯(cuò)；因而明確FPGA設(shè)計(jì)中決定系統(tǒng)時(shí)鐘的因素，盡量較小時(shí)鐘的延時(shí)對(duì)保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性有非常重要的意義。
1.1 建立時(shí)間與保持時(shí)間
建立時(shí)間（Tsu：set up time）是指在時(shí)鐘沿到來(lái)之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時(shí)間，如果建立的時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；保持時(shí)間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時(shí)間，如果保持時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。建立與保持時(shí)間的簡(jiǎn)單示意圖如下圖1所示。
圖1 保持時(shí)間與建立時(shí)間的示意圖
在FPGA設(shè)計(jì)的同一個(gè)模塊中常常是包含組合邏輯與時(shí)序邏輯，為了保證在這些邏輯的接口處數(shù)據(jù)能穩(wěn)定的被處理，那么對(duì)建立時(shí)間與保持時(shí)間建立清晰的概念非常重要。下面在認(rèn)識(shí)了建立時(shí)間與保持時(shí)間的概念上思考如下的問(wèn)題。
圖2 同步設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本模型
圖2為統(tǒng)一采用一個(gè)時(shí)鐘的同步設(shè)計(jì)中一個(gè)基本的模型。圖中Tco是觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出的延時(shí)；Tdelay是組合邏輯的延時(shí)；Tsetup是觸發(fā)器的建立時(shí)間；Tpd為時(shí)鐘的延時(shí)。如果第一個(gè)觸發(fā)器D1建立時(shí)間最大為T1max，最小為T1min，組合邏輯的延時(shí)最大為T2max，最小為T2min。問(wèn)第二個(gè)觸發(fā)器D2立時(shí)間T3與保持時(shí)間T4應(yīng)該滿足什么條件，或者是知道了T3與T4那么能容許的最大時(shí)鐘周期是多少。這個(gè)問(wèn)題是在設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題，只有弄清了這個(gè)問(wèn)題才能保證所設(shè)計(jì)的組合邏輯的延時(shí)是否滿足了要求。
下面通過(guò)時(shí)序圖來(lái)分析：設(shè)第一個(gè)觸發(fā)器的輸入為D1，輸出為Q1，第二個(gè)觸發(fā)器的輸入為D2，輸出為Q2；
時(shí)鐘統(tǒng)一在上升沿進(jìn)行采樣，為了便于分析我們討論兩種情況即第一：假設(shè)時(shí)鐘的延時(shí)Tpd為零，其實(shí)這種情況在FPGA設(shè)計(jì)中是常常滿足的，由于在FPGA設(shè)計(jì)中一般是采用統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，也就是利用從全局時(shí)鐘管腳輸入的時(shí)鐘，這樣在內(nèi)部時(shí)鐘的延時(shí)完全可以忽略不計(jì)。這種情況下不必考慮保持時(shí)間，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)都是保持一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍同時(shí)又有線路的延時(shí)，也就是都是基于CLOCK的延遲遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)的延遲基礎(chǔ)上，所以保持時(shí)間都能滿足要求，重點(diǎn)是要關(guān)心建立時(shí)間，此時(shí)如果D2的建立時(shí)間滿足要求那么時(shí)序圖應(yīng)該如圖3所示。
從圖中可以看出如果：
T-Tco-Tdelay>T3
即： Tdelay< T-Tco-T3
那么就滿足了建立時(shí)間的要求，其中T為時(shí)鐘的周期，這種情況下第二個(gè)觸發(fā)器就能在第二個(gè)時(shí)鐘的升沿就能穩(wěn)定的采到D2，時(shí)序圖如圖3所示。
圖3 符合要求的時(shí)序圖
如果組合邏輯的延時(shí)過(guò)大使得
T-Tco-Tdelay
那么將不滿足要求，第二個(gè)觸發(fā)器就在第二個(gè)時(shí)鐘的升沿將采到的是一個(gè)不定態(tài)，如圖4所示。那么電路將不能正常的工作。
圖4 組合邏輯的延時(shí)過(guò)大時(shí)序不滿足要求
從而可以推出
T-Tco-T2max>＝T3
這也就是要求的D2的建立時(shí)間。
從上面的時(shí)序圖中也可以看出，D2的建立時(shí)間與保持時(shí)間與D1的建立與保持時(shí)間是沒(méi)有關(guān)系的，而只和D2前面的組合邏輯和D1的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)有關(guān)，這也是一個(gè)很重要的結(jié)論。說(shuō)明了延時(shí)沒(méi)有疊加效應(yīng)。
時(shí)鐘是整個(gè)電路最重要、最特殊的信號(hào)，系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動(dòng)作都是在時(shí)鐘的跳變沿上進(jìn)行， 這就要求時(shí)鐘信號(hào)時(shí)延差要非常小， 否則就可能造成時(shí)序邏輯狀態(tài)出錯(cuò)；因而明確FPGA設(shè)計(jì)中決定系統(tǒng)時(shí)鐘的因素，盡量較小時(shí)鐘的延時(shí)對(duì)保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性有非常重要的意義。
1.1 建立時(shí)間與保持時(shí)間
建立時(shí)間（Tsu：set up time）是指在時(shí)鐘沿到來(lái)之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時(shí)間，如果建立的時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；保持時(shí)間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時(shí)間，如果保持時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。建立與保持時(shí)間的簡(jiǎn)單示意圖如下圖1所示。
圖1 保持時(shí)間與建立時(shí)間的示意圖
在FPGA設(shè)計(jì)的同一個(gè)模塊中常常是包含組合邏輯與時(shí)序邏輯，為了保證在這些邏輯的接口處數(shù)據(jù)能穩(wěn)定的被處理，那么對(duì)建立時(shí)間與保持時(shí)間建立清晰的概念非常重要。下面在認(rèn)識(shí)了建立時(shí)間與保持時(shí)間的概念上思考如下的問(wèn)題。
圖2 同步設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本模型
圖2為統(tǒng)一采用一個(gè)時(shí)鐘的同步設(shè)計(jì)中一個(gè)基本的模型。圖中Tco是觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出的延時(shí)；Tdelay是組合邏輯的延時(shí)；Tsetup是觸發(fā)器的建立時(shí)間；Tpd為時(shí)鐘的延時(shí)。如果第一個(gè)觸發(fā)器D1建立時(shí)間最大為T1max，最小為T1min，組合邏輯的延時(shí)最大為T2max，最小為T2min。問(wèn)第二個(gè)觸發(fā)器D2立時(shí)間T3與保持時(shí)間T4應(yīng)該滿足什么條件，或者是知道了T3與T4那么能容許的最大時(shí)鐘周期是多少。這個(gè)問(wèn)題是在設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題，只有弄清了這個(gè)問(wèn)題才能保證所設(shè)計(jì)的組合邏輯的延時(shí)是否滿足了要求。
下面通過(guò)時(shí)序圖來(lái)分析：設(shè)第一個(gè)觸發(fā)器的輸入為D1，輸出為Q1，第二個(gè)觸發(fā)器的輸入為D2，輸出為Q2；
時(shí)鐘統(tǒng)一在上升沿進(jìn)行采樣，為了便于分析我們討論兩種情況即第一：假設(shè)時(shí)鐘的延時(shí)Tpd為零，其實(shí)這種情況在FPGA設(shè)計(jì)中是常常滿足的，由于在FPGA設(shè)計(jì)中一般是采用統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，也就是利用從全局時(shí)鐘管腳輸入的時(shí)鐘，這樣在內(nèi)部時(shí)鐘的延時(shí)完全可以忽略不計(jì)。這種情況下不必考慮保持時(shí)間，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)都是保持一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍同時(shí)又有線路的延時(shí)，也就是都是基于CLOCK的延遲遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)的延遲基礎(chǔ)上，所以保持時(shí)間都能滿足要求，重點(diǎn)是要關(guān)心建立時(shí)間，此時(shí)如果D2的建立時(shí)間滿足要求那么時(shí)序圖應(yīng)該如圖3所示。
從圖中可以看出如果：
T-Tco-Tdelay>T3
即： Tdelay< T-Tco-T3
那么就滿足了建立時(shí)間的要求，其中T為時(shí)鐘的周期，這種情況下第二個(gè)觸發(fā)器就能在第二個(gè)時(shí)鐘的升沿就能穩(wěn)定的采到D2，時(shí)序圖如圖3所示。
圖3 符合要求的時(shí)序圖
如果組合邏輯的延時(shí)過(guò)大使得
T-Tco-Tdelay
那么將不滿足要求，第二個(gè)觸發(fā)器就在第二個(gè)時(shí)鐘的升沿將采到的是一個(gè)不定態(tài)，如圖4所示。那么電路將不能正常的工作。
圖4 組合邏輯的延時(shí)過(guò)大時(shí)序不滿足要求
從而可以推出
T-Tco-T2max>＝T3
這也就是要求的D2的建立時(shí)間。
從上面的時(shí)序圖中也可以看出，D2的建立時(shí)間與保持時(shí)間與D1的建立與保持時(shí)間是沒(méi)有關(guān)系的，而只和D2前面的組合邏輯和D1的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)有關(guān)，這也是一個(gè)很重要的結(jié)論。說(shuō)明了延時(shí)沒(méi)有疊加效應(yīng)。
第二種情況如果時(shí)鐘存在延時(shí)，這種情況下就要考慮保持時(shí)間了，同時(shí)也需要考慮建立時(shí)間。時(shí)鐘出現(xiàn)較大的延時(shí)多是采用了異步時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方法，這種方法較難保證數(shù)據(jù)的同步性，所以實(shí)際的設(shè)計(jì)中很少采用。此時(shí)如果建立時(shí)間與保持時(shí)間都滿足要求那么輸出的時(shí)序如圖5所示。
圖5 時(shí)鐘存在延時(shí)但滿足時(shí)序
從圖5中可以容易的看出對(duì)建立時(shí)間放寬了Tpd，所以D2的建立時(shí)間需滿足要求：
Tpd＋T-Tco-T2max>＝T3
由于建立時(shí)間與保持時(shí)間的和是穩(wěn)定的一個(gè)時(shí)鐘周期，如果時(shí)鐘有延時(shí)，同時(shí)數(shù)據(jù)的延時(shí)也較小那么建立時(shí)間必然是增大的，保持時(shí)間就會(huì)隨之減小，如果減小到不滿足D2的保持時(shí)間要求時(shí)就不能采集到正確的數(shù)據(jù)，如圖6所示。
這時(shí)即T－（Tpd－Tco-T2min）
T－（Tpd+T－Tco-T2min）>＝T4 即Tco＋T2min-Tpd>＝T4
從上式也可以看出如果Tpd＝0也就是時(shí)鐘的延時(shí)為0那么同樣是要求Tco＋T2min>T4，但是在實(shí)際的應(yīng)用中由于T2的延時(shí)也就是線路的延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觸發(fā)器的保持時(shí)間即T4所以不必要關(guān)系保持時(shí)間。
圖6 時(shí)鐘存在延時(shí)且保持時(shí)間不滿足要求
綜上所述，如果不考慮時(shí)鐘的延時(shí)那么只需關(guān)心建立時(shí)間，如果考慮時(shí)鐘的延時(shí)那么更需關(guān)心保持時(shí)間。下面將要分析在FPGA設(shè)計(jì)中如何提高同步系統(tǒng)中的工作時(shí)鐘。
1.2 如何提高同步系統(tǒng)中的工作時(shí)鐘
從上面的分析可以看出同步系統(tǒng)時(shí)對(duì)D2建立時(shí)間T3的要求為：
T-Tco-T2max>＝T3
所以很容易推出T>＝T3+Tco+T2max，其中T3為D2的建立時(shí)間Tset，T2為組合邏輯的延時(shí)。在一個(gè)設(shè)計(jì)中T3和Tco都是由器件決定的固定值，可控的也只有T2也就時(shí)輸入端組合邏輯的延時(shí)，所以通過(guò)盡量來(lái)減小T2就可以提高系統(tǒng)的工作時(shí)鐘。為了達(dá)到減小T2在設(shè)計(jì)中可以用下面不同的幾種方法綜合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.2.1 通過(guò)改變走線的方式來(lái)減小延時(shí)
以altera的器件為例，我們?cè)趒uartus里面的timing closure floorplan可以看到有 很多條條塊塊，我們可以將條條塊塊按行和按列分，每一個(gè)條塊代表1個(gè)LAB，每個(gè)LAB里 有8個(gè)或者是10個(gè)LE。它們的走線時(shí)延的關(guān)系如下：同一個(gè)LAB中（最快） < 同列或者同行 < 不同行且不同列。 我們通過(guò)給綜合器加適當(dāng)?shù)募s束（約束要適量，一般以加5%裕量較為合適，比如電路 工作在100Mhz，則加約束加到105Mhz就可以了，過(guò)大的約束效果反而不好，且極大增加綜合時(shí)間）可以將相關(guān)的邏輯在布線時(shí)盡量布的靠近一點(diǎn)，從而減少走線的時(shí)延。
1.2.2 通過(guò)拆分組合邏輯的方法來(lái)減小延時(shí)
由于一般同步電路都不止一級(jí)鎖存（如圖8），而要使電路穩(wěn)定工作，時(shí)鐘周期必須滿足最大延時(shí)要求，縮短最長(zhǎng)延時(shí)路徑，才可提高電路的工作頻率。如圖7所示：我們可以將較大的組合邏輯分解為較小的幾塊，中間插入觸發(fā)器，這樣可以提高電路的工作頻率。這也是所謂“流水線”（pipelining）技術(shù)的基本原理。
對(duì)于圖8的上半部分，它時(shí)鐘頻率受制于第二個(gè)較大的組合邏輯的延時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄆ骄峙浣M合邏輯，可以避免在兩個(gè)觸發(fā)器之間出現(xiàn)過(guò)大的延時(shí)，消除速度瓶頸。
圖7 分割組合邏輯
圖8 轉(zhuǎn)移組合邏輯
那么在設(shè)計(jì)中如何拆分組合邏輯呢，更好的方法要在實(shí)踐中不斷的積累，但是一些良好的設(shè)計(jì)思想和方法也需要掌握。我們知道，目前大部分FPGA都基于4輸入LUT的，如果一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)的判斷條件大于四輸入的話就要由多個(gè)LUT級(jí)聯(lián)才能完成，這樣就引入一級(jí)組合邏輯時(shí)延，我們要減少組合邏輯，無(wú)非就是要輸入條件盡可能的少，這樣就可以級(jí)聯(lián)的LUT更少，從而減少了組合邏輯引起的時(shí)延。
我們平時(shí)聽(tīng)說(shuō)的流水就是一種通過(guò)切割大的組合邏輯（在其中插入一級(jí)或多級(jí)D觸發(fā)器，從而使寄存器與寄存器之間的組合邏輯減少）來(lái)提高工作頻率的方法。比如一個(gè)32 位的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的進(jìn)位鏈很長(zhǎng)，必然會(huì)降低工作頻率，我們可以將其分割成4位和 8位的計(jì)數(shù)，每當(dāng)4位的計(jì)數(shù)器計(jì)到15后觸發(fā)一次8位的計(jì)數(shù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)器的切割，也提高了工作頻率。
在狀態(tài)機(jī)中，一般也要將大的計(jì)數(shù)器移到狀態(tài)機(jī)外，因?yàn)橛?jì)數(shù)器這東西一般是經(jīng)常 是大于4輸入的，如果再和其它條件一起做為狀態(tài)的跳變判據(jù)的話，必然會(huì)增加LUT的級(jí) 聯(lián)，從而增大組合邏輯。以一個(gè)6輸入的計(jì)數(shù)器為例，我們?cè)Ｍ?dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111100后 狀態(tài)跳變，現(xiàn)在我們將計(jì)數(shù)器放到狀態(tài)機(jī)外，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111011后產(chǎn)生個(gè)enable信號(hào) 去觸發(fā)狀態(tài)跳變，這樣就將組合邏輯減少了。狀態(tài)機(jī)一般包含三個(gè)模塊，一個(gè)輸出模塊，一個(gè)決定下個(gè)狀態(tài)是什么的模塊和一個(gè)保存當(dāng)前狀態(tài)的模塊。組成三個(gè)模塊所采用的邏輯也各不相同。輸出模塊通常既包含組合邏輯又包含時(shí)序邏輯；決定下一個(gè)狀態(tài)是什么的模塊通常又組合邏輯構(gòu)成；保存現(xiàn)在狀態(tài)的通常由時(shí)序邏輯構(gòu)成。三個(gè)模塊的關(guān)系如下圖9所示。
圖9 狀態(tài)機(jī)的組成
所有通常寫(xiě)狀態(tài)機(jī)時(shí)也按照這三個(gè)模塊將狀態(tài)機(jī)分成三部分來(lái)寫(xiě)，如下面就是一種良好的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法：
/*-----------------------------------------------------
This is FSM demo program
Design Name ： arbiter
File Name ： arbiter2.v
-----------------------------------------------------*/
module arbiter2 （
clock ， // clock
reset ， // Active high， syn reset
req_0 ， // Request 0
req_1 ， // Request 1
gnt_0 ，
gnt_1）;
//-------------Input Ports-----------------------------
input clock ;
input reset ;
input req_0 ;
input req_1 ;
//-------------Output Ports----------------------------
output gnt_0 ;
output gnt_1 ;
//-------------Input ports Data Type-------------------
wire clock ;
wire reset ;
wire req_0 ;
wire req_1 ;
//-------------Output Ports Data Type------------------
reg gnt_0 ;
reg gnt_1 ;
//-------------Internal Constants--------------------------
parameter SIZE = 3 ;
parameter IDLE = 3‘b001 ，
GNT0 = 3’b010 ，
GNT1 = 3‘b100 ;
//-------------Internal Variables---------------------------
reg ［SIZE-1:0］ state ;// Seq part of the FSM
wire ［SIZE-1:0］ next_state ;// combo part of FSM
//----------Code startes Here------------------------
assign next_state = fsm_function（req_0， req_1）;
function ［SIZE-1:0］ fsm_function;
input req_0;
input req_1;
case（state）
IDLE ： if （req_0 == 1’b1）
fsm_function = GNT0;
else if （req_1 == 1‘b1）
fsm_function= GNT1;
else
fsm_function = IDLE;
GNT0 ： if （req_0 == 1’b1）
fsm_function = GNT0;
else
fsm_function = IDLE;
GNT1 ： if （req_1 == 1‘b1）
fsm_function = GNT1;
else
fsm_function =IDLE;
default ： fsm_function = IDLE;
endcase
endfunction
always@（posedge clock）
begin
if （reset == 1’b1）
state <=IDLE;
else
state <=next_state;
end
//----------Output Logic-----------------------------
always @ （posedge clock）
begin
if （reset == 1‘b1） begin
gnt_0 <= #1 1’b0;
gnt_1 <= #1 1‘b0;
end
else begin
case（state）
IDLE ： begin
gnt_0 <= #1 1’b0;
gnt_1 <= #1 1‘b0;
end
GNT0 ： begin
gnt_0 <= #1 1’b1;
gnt_1 <= #1 1‘b0;
end
GNT1 ： begin
gnt_0 <= #1 1’b0;
gnt_1 <= #1 1‘b1;
end
default ： begin
gnt_0 <= #1 1’b0;
gnt_1 <= #1 1‘b0;
end
endcase
end
end // End Of Block OUTPUT_
endmodule
狀態(tài)機(jī)通常要寫(xiě)成3段式，從而避免出現(xiàn)過(guò)大的組合邏輯。
上面說(shuō)的都是可以通過(guò)流水的方式切割組合邏輯的情況，但是有些情況下我們是很 難去切割組合邏輯的，在這些情況下我們又該怎么做呢？
狀態(tài)機(jī)就是這么一個(gè)例子，我們不能通過(guò)往狀態(tài)譯碼組合邏輯中加入流水。如果我 們的設(shè)計(jì)中有一個(gè)幾十個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，它的狀態(tài)譯碼邏輯將非常之巨大，毫無(wú)疑問(wèn)， 這極有可能是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑。那我們?cè)撛趺醋瞿?？還是老思路，減少組合邏輯。我 們可以對(duì)狀態(tài)的輸出進(jìn)行分析，對(duì)它們進(jìn)行重新分類，并根據(jù)這個(gè)重新定義成一組組小 狀態(tài)機(jī)，通過(guò)對(duì)輸入進(jìn)行選擇（case語(yǔ)句）并去觸發(fā)相應(yīng)的小狀態(tài)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了將大的 狀態(tài)機(jī)切割成小的狀態(tài)機(jī)。在ATA6的規(guī)范中（硬盤的標(biāo)準(zhǔn)），輸入的命令大概有20十種 ，每一個(gè)命令又對(duì)應(yīng)很多種狀態(tài)，如果用一個(gè)大的狀態(tài)機(jī)（狀態(tài)套狀態(tài)）去做那是不可想象的，我們可以通過(guò)case語(yǔ)句去對(duì)命令進(jìn)行譯碼，并觸發(fā)相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)，這樣做下來(lái) 這一個(gè)模塊的頻率就可以跑得比較高了。
總結(jié)：提高工作頻率的本質(zhì)就是要減少寄存器到寄存器的時(shí)延，最有效的方法就是 避免出現(xiàn)大的組合邏輯，也就是要盡量去滿足四輸入的條件，減少LUT級(jí)聯(lián)的數(shù)量。我們 可以通過(guò)加約束、流水、切割狀態(tài)的方法提高工作頻率。
在FPGA中進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)計(jì)時(shí)也要注意一下幾點(diǎn)：
一個(gè)模塊盡量只用一個(gè)時(shí)鐘，這里的一個(gè)模塊是指一個(gè)module或者是一個(gè)entity。在多時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中涉及到跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中最好有專門一個(gè)模塊做時(shí)鐘域的隔 離。這樣做可以讓綜合器綜合出更優(yōu)的結(jié)果。
除非是低功耗設(shè)計(jì)，不然不要用門控時(shí)鐘--這會(huì)增加設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性，在要用到門控時(shí)鐘的地方，也要將門控信號(hào)用時(shí)鐘的下降沿 打一拍再輸出與時(shí)鐘相與。
禁止用計(jì)數(shù)器分頻后的信號(hào)做其它模塊的時(shí)鐘，而要用改成時(shí)鐘使能的方式，否則這種時(shí)鐘滿天飛的方式對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性極為不利，也大大增加了靜態(tài)時(shí)序分析的復(fù)雜性。
1.4 不同時(shí)鐘域之間的同步
當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)模塊分別用的是兩個(gè)工作時(shí)鐘，那么在它們的接口處就工作在異步模式，這時(shí)為了保證數(shù)據(jù)能正確的處理那么就要對(duì)兩個(gè)模塊進(jìn)行同步。
這里的不同的時(shí)鐘域通常是以下的兩種情況：
1、 兩個(gè)時(shí)鐘的頻率不同；
2、 雖然兩個(gè)時(shí)鐘的頻率相同，但是它們是兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，其相位沒(méi)有任何關(guān)系。
分別如下兩個(gè)圖所示：
圖10 兩個(gè)時(shí)鐘的頻率完全不同
圖11兩個(gè)時(shí)鐘的頻率相同，但相位不相關(guān)
兩個(gè)時(shí)鐘域之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)不同的位寬通常采用不同的同步的方法。
1、單bit之間的同步且發(fā)送的每個(gè)pulse至少有1個(gè)周期寬度的情況
這類同步主要是用于一些控制信號(hào)自己的同步。通常的采用方法就是輸出數(shù)據(jù)在接收的模塊中利用兩個(gè)觸發(fā)器采用系統(tǒng)時(shí)鐘打兩拍，如下圖12所示。對(duì)于這種同步需要說(shuō)明以下幾點(diǎn)。
圖12 一位同步器設(shè)計(jì)
?。?）圖12中的同步電路其實(shí)叫“一位同步器”，它只能用來(lái)對(duì)一位異步信號(hào)進(jìn)行同步，而且這個(gè)信號(hào)的寬度必須大于本級(jí)時(shí)鐘的脈沖寬度，否則有可能根本采不到這個(gè)異步信號(hào)。
（2）為什么圖一中的同步電路只能用來(lái)對(duì)一位異步信號(hào)進(jìn)行同步呢？ （a）當(dāng)有兩個(gè)或更多的異步信號(hào)（控制或地址）同時(shí)進(jìn)入本時(shí)域來(lái)控制本時(shí)域的電路時(shí)，如果這些信號(hào)分別都用圖12中的同步電路來(lái)同步就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，由于連線延遲或其他延遲使兩個(gè)或更多的異步信號(hào)（控制或地址）之間產(chǎn)生了skew，那么這個(gè)skew經(jīng)過(guò)圖12的同步器同步進(jìn)入本時(shí)域后，會(huì)產(chǎn)生很大的skew或產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致本時(shí)域電路出錯(cuò)。
出現(xiàn)的問(wèn)題如下圖13所示：
圖13 同步多個(gè)控制信號(hào)時(shí)出錯(cuò)
（b）如果是異步數(shù)據(jù)總線要進(jìn)入本時(shí)域，同樣不能用圖12的電路，因?yàn)閿?shù)據(jù)的變化是很隨機(jī)的，其0的寬度或1的寬度和本時(shí)域時(shí)鐘脈沖無(wú)關(guān)，所以圖12的電路可能會(huì)采不到正確數(shù)據(jù)。
?。?）注意，第二個(gè)觸發(fā)器并不是避免“亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生”，確切的說(shuō)，該電路能夠防止亞穩(wěn)態(tài)的傳播。也就是說(shuō)，一旦第一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)（可能性存在），由于有了第二個(gè)
觸發(fā)器，亞穩(wěn)態(tài)不會(huì)傳播到第二個(gè)觸發(fā)器以后的電路中去。
?。?）第一級(jí)觸發(fā)器發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)，需要一個(gè)恢復(fù)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定下來(lái)，或者叫退出亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)恢復(fù)時(shí)間加上第二級(jí)觸發(fā)器的建立時(shí)間（更精確的，還要減去clock skew）小于等于時(shí)鐘周期的時(shí)候（這個(gè)條件還是很容易滿足的，一般要求兩級(jí)觸發(fā)器盡量接近，中間沒(méi)有任何組合邏輯，時(shí)鐘的skew較?。?，第二級(jí)觸發(fā)器就可以穩(wěn)定的采樣，得到穩(wěn)定的確定的數(shù)據(jù)了，防止了亞穩(wěn)態(tài)的傳播。
（5）FF2是采樣了FF1的輸出，當(dāng)然是FF1輸出什么，F(xiàn)F2就輸出什么。僅僅延遲了1個(gè)周期。注意，亞穩(wěn)態(tài)之所以叫做亞穩(wěn)態(tài)，是指一旦FF1進(jìn)入，其輸出電平不定，可能正確也可能錯(cuò)誤。所以必須說(shuō)明的是，雖然這種方法可以防止亞穩(wěn)態(tài)的傳播，但是并不能保證兩級(jí)觸發(fā)器之后的數(shù)據(jù)是正確的，因此，這種電路都有一定數(shù)量的錯(cuò)誤電平數(shù)據(jù)，所以，僅適用于少量對(duì)于錯(cuò)誤不敏感的地方。對(duì)于敏感的電路，可以采用雙口RAM或FIFO。
2 輸入pulse有可能小于一個(gè)時(shí)鐘周期寬度情況下的同步電路
對(duì)2的情況通常采用如下圖14的反饋電路。該電路的分析如下：假設(shè)輸入的數(shù)據(jù)是高電平，那么由于第一個(gè)觸發(fā)器FF1是高電平清零，所有輸出也是高電平，采用正確。如果輸入是第電平那么被FF1被強(qiáng)制清零，這個(gè)時(shí)候輸出位零。這樣就保證了輸出的正確性。
圖14輸入pulse有可能小于一個(gè)時(shí)鐘周期寬度情況下的同步電路