前言

時鐘信號在很大程度上決定了整個設(shè)計的性能和可靠性，盡量避免使用FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的時鐘，因為它很容易導(dǎo)致功能或時序出現(xiàn)問題。內(nèi)部邏輯（組合邏輯）產(chǎn)生的時鐘容易出現(xiàn)毛刺，影響設(shè)計的功能實現(xiàn)；組合邏輯固有的延時也容易導(dǎo)致時序問題。

一、內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的時鐘

若使用組合邏輯的輸出作為時鐘信號或異步復(fù)位信號，設(shè)計者必須對有可能出現(xiàn)的問題采取必要的預(yù)防措施。我們知道，在正常的同步設(shè)計中，一個時鐘一個節(jié)拍的數(shù)據(jù)流控制能夠保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作。但是，組合邏輯產(chǎn)生的時鐘不可避免地會有毛刺出現(xiàn)，如果此時輸入端口的數(shù)據(jù)正處于變化過程，那么它將違反建立和保持時間要求，從而影響后續(xù)電路的輸出狀態(tài)，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)運行失敗。

對于必須采用內(nèi)部邏輯作時鐘或者復(fù)位信號的應(yīng)用，也還是有解決辦法的。思路并不復(fù)雜，和異步復(fù)位、同步釋放的原理是一樣的。在輸出時鐘或者復(fù)位信號之前，再用系統(tǒng)專用時鐘信號(通常指外部晶振輸入時鐘或者PLL處理后的時鐘信號)打一拍，從而避免組合邏輯直接輸出，達(dá)到同步處理的效果。對于輸出的時鐘信號或復(fù)位信號，最好讓它走全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，從而減小時鐘網(wǎng)絡(luò)延時，提升系統(tǒng)時序性能。

內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的時鐘處理如下：

二、分頻時鐘與使能時鐘

設(shè)計中往往需要用到主時鐘的若干分頻信號作為時鐘，即分頻時鐘。可別小看這個所謂的分頻時鐘，簡簡單單不加處理的亂用時鐘那就叫時鐘滿天飛，是很不好的設(shè)計風(fēng)格。言歸正傳，如果設(shè)計中確實需要用到系統(tǒng)主時鐘的分頻信號來降低頻率時，該如何處理呢？

對于資源較豐富的FPGA，一般都有內(nèi)嵌的多個PLL或者DLL專門用于時鐘管理，利用它們就可以很容易地達(dá)到多個時鐘的設(shè)計，輸出時鐘能夠配置成設(shè)計者期望的不同頻率和相位差(相對于輸入時鐘)，這樣的時鐘分頻是最穩(wěn)定的。但是對于某些無法使用PLL或者DLL資源的器件又該怎么辦呢?推薦使用“使能時鐘”進行設(shè)計，在“使能時鐘”設(shè)計中只使用原有的時鐘，讓分頻信號作為使能信號來用。

下面舉一個實例來說明如何進行使能時鐘的設(shè)計，該設(shè)計需要得到一個50MHz鐘的5分頻信號即10MHz。

input clk;      //50MHz時鐘信號
input rst n; 
 
reg[2:0]ent;
wire en;        //使能信號，高電平有效
 
//5分頻計數(shù)0~4
always@( posedge clk or negedge rst _n)begin
    if(!rst _n) ent<=3'd0;
    else if(ent<3'd4) ent<=ent+1b1;
    else ent<=3'd0;
end
assign en=(cnt==3'd4);//每5個時鐘周期產(chǎn)生1個時鐘周期高脈沖
 
//使用使能時鐘
always@( posedge clk or negedge rst _n)begin
    if(!rst _n)…;
    else if(en)…;
 
    ...
 
end

如下圖所示，使能信號不直接作為時鐘使用，而是作為數(shù)據(jù)輸入端的選擇信號，這避免了使用分頻時鐘。

三、門控時鐘

組合邏輯中多用門控時鐘，一般驅(qū)動門控時鐘的邏輯都是只包含一個與門（或門）.如其他的附加邏輯，容易因競爭產(chǎn)生不希望的毛刺。如圖a所示，門控時鐘通過一個使號控制時鐘的開或者關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)不工作時可以關(guān)閉時鐘，整個系統(tǒng)就處于非激活狀態(tài)，這種夠在某種程度上降低系統(tǒng)功耗。

圖a：門控時鐘

然而，使用門控時鐘并不符合同步設(shè)計的思想，它可能會影響系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)和驗證。單純從功能實現(xiàn)來看，使用使能時鐘替代門控時鐘是一個不錯的選擇；但是使能時鐘在使能信號關(guān)閉時，時鐘信號仍然在工作，它無法像門控時鐘那樣降低系統(tǒng)功耗。

是否有一種設(shè)計方法既可以降低系統(tǒng)功耗，又能夠穩(wěn)定可靠的替代門控時鐘呢?Altera就提出了一種解決方案，且待我慢慢道來。如圖b所示，對于上升沿有效的系統(tǒng)時鐘cì k，它的下降沿先把門控信號(gating signal)打一拍，然后再用這個使能信號(enable)和系統(tǒng)時鐘(clk)相與后作為后續(xù)電路的門控時鐘。

圖b：推薦的門控時鐘

這樣的門控時鐘電路很好地解決了組合邏輯常見的一些問題。它避免了毛刺的出現(xiàn)，同時也有效抑制了亞穩(wěn)態(tài)可能帶來的危害。但是從另一個方面來說，如果這個設(shè)計的系統(tǒng)時鐘(clk)占空比不是很穩(wěn)定，或者輸出的使能信號(enable)與時鐘信號(clk)的邏輯過于復(fù)雜(不止這個例子中一個與門那么簡單），那么它也會帶來一些功能或時序上的問題。總的來說，只要設(shè)計者控制好這個設(shè)計中時鐘的占空比和門控邏輯復(fù)雜度，它還是比圖a給出的門控時鐘方案更可行。

審核編輯：湯梓紅