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毛刺、竞争、冒险
当一个门的输入有两个或两个以上的变量发生改变时,由于这些变量是经过不同路径产生的,使得它
们状态改变的时刻有先有后,这种时差引起的现象称为竞争(Race)。竞争的结果若导致冒险或险象
(Hazard)发生(例如毛刺),并造成错误的后果,那么就称这种竞争为临界竞争。若竞争的结果没有导
致冒险发生,或虽有冒险发生,但不影响系统的工作,那么就称这种竞争为非临界竞争。
组合逻辑电路的险象仅在信号状态改变的时刻出现毛刺,这种冒险是过渡性的,它不会使稳态值偏离
正常值,但在时序电路中,冒险是本质的,可导致电路的输出值永远偏离正常值或者发生振荡。
组合逻辑电路的冒险是过渡性冒险,从冒险的波形上,可分为静态冒险和动态冒险。
输入信号变化前后,输出的稳态值是一样的,但在输入信号变化时,输出信号产生了毛刺,这种冒险
是静态冒险。若输出的稳态值为0,出现了正的尖脉冲毛刺,称为静态0险象。若输出稳态值为1,出现
了负的尖脉冲毛刺,则称为静态1冒险。
输入信号变化前后,输出的稳态值不同,并在边沿处出现了毛刺,称为动态险象(冒险)。
从引起冒险的具体原因上,冒险可以分为函数冒险和逻辑冒险。函数冒险是逻辑函数本身固有的,当
多个输入变量发生变化时,常常会发生逻辑冒险。避免函数冒险的最简单的方法是同一时刻只允许单个输
入变量发生变化,或者采用取样的办法。
单个输入变量改变时,不会发生函数冒险,但电路设计不合适时,仍会出现逻辑冒险。通过精心设计,
修改电路的结构,可以消除逻辑冒险。
FPGA中的冒险毛刺
和可靠性有关的几个概念
建立时间和保持时间
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毛刺、竞争、冒险
建立时间(setuptime)是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前,数据稳定不变的时间,如果建立
时间不够,数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器;保持时间(holdtime)是指在触发器的时钟信号
上升沿到来以后,数据稳定不变的时间,如果保持时间不够,数据同样不能被打入触发器。如图1。数
据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求,当然在一些情况下,建立时间和保持时间的值可以为零。
PLD/FPGA开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时间(如图2)
竞争和冒险
几乎所有关于数字电路的教材,都会提到数字电路中的竞争和冒险问题,但是这个问题往往被我们忽
略。我们可以先来回顾一下关于竞争和冒险的一些基本概念。
PLD内部毛刺产生的原因
我们在使用分立元件设计数字系统时,由于PCB走线时,存在分布电感和电容,所以几纳秒的毛刺将
被自然滤除,而在PLD内部决无分布电感和电容,所以在PLD/FPGA设计中,竞争和冒险问题将变的较
为突出。
FPGA中的冒险现象
信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时,都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单
元的数目有关,同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一
定的过渡时间。由于存在这两方面因素,多路信号的电平值发生变化时,在信号变化的瞬间,组合逻辑的
输出有先后顺序,并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号,这些尖峰信号称为毛刺。如果一
个组合逻辑电路中有毛刺出现,就说明该电路存在冒险。(与分立元件不同,由于PLD内部不存在寄
生电容电感,这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递,因此毛刺现象在PLD、FPGA设计中尤为突出)
A、B、C、D四个输入信号经过布线延时以后,高低电平变换不是同时发生的,这导致输出信号OUT
出现了毛刺。(我们无法保证所有连线的长度一致,所以即使四个输入信号在输入端同时变化,但经过PLD
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毛刺、竞争、冒险
内部的走线,到达或门的时间也是不一样的,毛刺必然产生)。可以概括的讲,只要输入信号同时变化,
(经过内部走线)组合逻辑必将产生毛刺。将它们的输出直接连接到时钟输入端、清零或置位端口的设计
方法是错误的,这可能会导致严重的后果。所以我们必须检查设计中所有时钟、清零
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