摘要：在FPGA設(shè)計中，為了成功地操作，可靠的時鐘是非常關(guān)鍵的。設(shè)計不良的時鐘在極限的溫度、電壓下將導(dǎo)致錯誤的行為。在設(shè)計PLD／FPGA時通常采用如下四種類型時鐘：全局時鐘、門控時鐘、多級邏輯時鐘和波動式時鐘。多時鐘系統(tǒng)包括上述四種時鐘類型的任意組合。
　　關(guān)鍵詞：FPGA；時鐘；邏輯時鐘；險象
　　對于一個設(shè)計項目來說，全局時鐘是最簡單和最可預(yù)測的時鐘。在PLD／FPGA設(shè)計中最好的時鐘方案是由專用的全局時鐘輸入引腳驅(qū)動的單個主時鐘去鐘控設(shè)計項目中的每一個觸發(fā)器。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計項目中采用全局時鐘。PLD／FPGA都具有專門的全局時鐘引腳，它直接連到器件中的每一個寄存器。這種全局時鐘提供器件中最短的時鐘到輸出的延時。
　　1 全局時鐘
　　全局時鐘的實例如圖1所示。圖1中定時波形示出觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入D[1．．3]應(yīng)遵守建立時間和保持時間的約束條件。建立和保持時間的數(shù)值在PLD數(shù)據(jù)手冊中給出，也可用軟件的定時分析器計算出來。如果在應(yīng)用中不能滿足建立和保持時間的要求，則必須用時鐘同步輸入信號。
　　

　　2 門控時鐘
　　在許多應(yīng)用中，整個設(shè)計項目都采用外部的全局時鐘是不可能或不實際的。PLD具有乘積項邏輯陣列時鐘(即時鐘是由邏輯產(chǎn)生的)，允許任意函數(shù)單獨地鐘控各個觸發(fā)器。然而，當(dāng)你用陣列時鐘時，應(yīng)仔細(xì)地分析時鐘函數(shù)，以避免毛刺。
　　通常用陣列時鐘構(gòu)成門控時鐘。門控時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，通常都存在著門控時鐘。如果符合下述條件，門控時鐘可以象全局時鐘一樣可靠地工作，圖2所示是一個可靠的門控時鐘電路。
　　

　　(1)驅(qū)動時鐘的邏輯必須只包含一個“與”門或一個“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)邏輯門的一個輸入作為實際的時鐘，而該邏輯門的所有其他輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對于時鐘的建立和保持時間的約束。

　　在設(shè)計中可以將門控時鐘轉(zhuǎn)換成全局時鐘以改善設(shè)計項目的可靠性。圖3示出如何用全局時鐘重新設(shè)計圖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，D輸入端的值被鐘控到觸發(fā)器中：當(dāng)ENA為低電平時，維持現(xiàn)在的狀態(tài)。
　　

　　3 多級邏輯時鐘
　　當(dāng)產(chǎn)生門控時鐘的組合邏輯超過一級(即超過單個的“與”門或“或”門)時，驗證設(shè)計項目的可靠性變得很困難。即使樣機或仿真結(jié)果沒有顯示出靜態(tài)險象，但實際上仍然可能存在著危險。通常，不應(yīng)該用多級組合邏輯去鐘控PLD設(shè)計中的觸發(fā)器。

　　圖4給出一個含有險象的多級時鐘的例子。時鐘是由SEL引腳控制的多路選擇器輸出的。多路選擇器的輸入是時鐘(CLK)和該時鐘的2分頻(DIV2)。多級邏輯的險象可以去除。例如，可以插入“冗余邏輯”到設(shè)計項目中。然而，PLD／FPGA編譯器在邏輯綜合時會去掉這些冗余邏輯，使得驗證險象是否真正被去除變得困難了。為此，必須應(yīng)尋求其他方法來實現(xiàn)電路的功能。
　　圖中SEL引腳和DIV2信號用于使能D觸發(fā)器的使能輸入端，而不是用于該觸發(fā)器的時鐘引腳。采用這個電路并不需要附加PLD的邏輯單元，工作卻可靠多了。
　　4 行波時鐘
　　另一種流行的時鐘電路是采用行波時鐘，即一個觸發(fā)器的輸出用作另一個觸發(fā)器的時鐘輸入。如果仔細(xì)地設(shè)計，行波時鐘可以像鐘一樣地可靠工作。然而，行波時鐘使得與電路有關(guān)的定時計算變得很復(fù)雜。行波時鐘在行波鏈上各觸發(fā)器的時鐘之間產(chǎn)生較大的時間偏移，并且會超出最壞情況下的建立時間、保持時間和電路中時鐘到輸出的延時，使系統(tǒng)的實際速度下降。