在數(shù)字電路的設計中，時序設計是一個系統(tǒng)性能的主要標志，在高層次設計方法中，對時序控制的抽象度也相應提高，因此在設計中較難把握，但在理解RTL電路時序模型的基礎上，采用合理的設計方法在設計復雜數(shù)字系統(tǒng)是行之有效的，通過許多設計實例證明采用這種方式可以使電路的后仿真通過率大大提高，并且系統(tǒng)的工作頻率可以達到一個較高水平。

1 數(shù)字電路設計中的幾個基本概念：

1.1 建立時間和保持時間：

建立時間（setup time）是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果建立時間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被打入觸發(fā)器；保持時間（hold time）是指在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間， 如果保持時間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。如圖1 。數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸必須滿足建立和保持時間的要求，當然在一些情況下，建立時間和保持時間的值可以為零。 PLD/FPGA開發(fā)軟件可以自動計算兩個相關輸入的建立和保持時間（如圖2）

圖1 建立時間和保持時間關系圖

注：在考慮建立保持時間時，應該考慮時鐘樹向后偏斜的情況，在考慮建立時間時應該考慮時鐘樹向前偏斜的情況。在進行后仿真時，最大延遲用來檢查建立時間，最小延時用來檢查保持時間。

建立時間的約束和時鐘周期有關，當系統(tǒng)在高頻時鐘下無法工作時，降低時鐘頻率就可以使系統(tǒng)完成工作。保持時間是一個和時鐘周期無關的參數(shù)，如果設計不合理，使得布局布線工具無法布出高質量的時鐘樹，那么無論如何調整時鐘頻率也無法達到要求，只有對所設計系統(tǒng)作較大改動才有可能正常工作，導致設計效率大大降低。因此合理的設計系統(tǒng)的時序是提高設計質量的關鍵。在可編程器件中，時鐘樹的偏斜幾乎可以不考慮，因此保持時間通常都是滿足的。

1.2 FPGA中的競爭和冒險現(xiàn)象

信號在FPGA器件內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，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設計中尤為突出）圖2是一個邏輯冒險的例子，從圖3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。（我們無法保證所有連線的長度一致，所以即使四個輸入信號在輸入端同時變化，但經(jīng)過PLD內部的走線，到達或門的時間也是不一樣的，毛刺必然產(chǎn)生）?？梢愿爬ǖ闹v，只要輸入信號同時變化，（經(jīng)過內部走線）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計方法是錯誤的，這可能會導致嚴重的后果。 所以我們必須檢查設計中所有時鐘、清零和置位等對毛刺敏感的輸入端口，確保輸入不會含有任何毛刺。

圖2 存在邏輯冒險的電路示例

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圖3 所示電路的仿真波形

冒險往往會影響到邏輯電路的穩(wěn)定性。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計人員必須要考慮的問題。

如何處理毛刺

我們可以通過改變設計，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。

毛刺并不是對所有的輸入都有危害，例如D觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害，我們可以說D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺不敏感。 根據(jù)這個特性，我們應當在系統(tǒng)中盡可能采用同步電路，這是因為同步電路信號的變化都發(fā)生在時鐘沿，只要毛刺不出現(xiàn)在時鐘的沿口并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間，就不會對系統(tǒng)造成危害。 （由于毛刺很短，多為幾納秒，基本上都不可能滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時間）。