時(shí)序約束系列之D觸發(fā)器原理和FPGA時(shí)序結(jié)構(gòu)
本文為明德?lián)P原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！作者：姬姬姬
明德?lián)P有完整的時(shí)序約束課程與理論，接下來我們會(huì)一章一章以圖文結(jié)合的形式與大家分享時(shí)序約束的知識(shí)。要掌握FPGA時(shí)序約束，了解D觸發(fā)器以及FPGA運(yùn)行原理是必備的前提。今天第一章，我們就從D觸發(fā)器開始講起。
一、D觸發(fā)器的基本概念
1、D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)
首先是D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，其硬件電路圖如下所示，可以看到D觸發(fā)器包含復(fù)位、時(shí)鐘、輸入和輸出；信號(hào)由D端輸入，clk給到上升沿的指示，Q端輸出信號(hào)。
D觸發(fā)器的功能很簡(jiǎn)單。
當(dāng)R等于0時(shí)，q固定輸出0；
當(dāng)R等于1時(shí)，遇到CLK的上升沿時(shí)，將D的值賦給Q，D是什么Q就是什么；非CLK的上升沿，Q保持不變。
2、D觸發(fā)器代碼
D觸發(fā)器的代碼也很簡(jiǎn)單，如下圖所示，從代碼的描述來看，依舊是
當(dāng)rst_n等于0時(shí)，q固定輸出0；
當(dāng)rst_n等于1時(shí)，遇到clk的上升沿時(shí)，將d的值賦給q，d是什么q就是什么；非clk的上升沿，q保持不變。
3、D觸發(fā)器波形
D觸發(fā)器工作波形如下所示，時(shí)鐘處于上升沿的時(shí)，如果輸入信號(hào)D為1，輸出信號(hào)Q也為1；如果輸入信號(hào)D為0，那么輸出信號(hào)Q也為0。
4、建立時(shí)間和保持時(shí)間
前面波形圖可以看到，D觸發(fā)器在上升沿處進(jìn)行信號(hào)采集，為了保證采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，信號(hào)D在上升沿前后會(huì)保持狀態(tài)一段時(shí)間。在上升沿前的這段時(shí)間為setup_time，叫做建立時(shí)間；上升沿后的這段時(shí)間為hold_time部分，叫做保持時(shí)間。
關(guān)于建立時(shí)間和保持時(shí)間有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意。
首先D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端必須在建立時(shí)間前到達(dá)，并且要保持到持續(xù)時(shí)間以后，這樣才可以保證FPGA可以采集到正確的數(shù)據(jù)。
其次建立時(shí)間和保持時(shí)間是D觸發(fā)器的固有屬性，是不可改變的。注意，這里說的不可改變，是指不能從代碼層次去改變。例如我們買了一個(gè)FPGA開發(fā)板，其FPGA芯片的D觸發(fā)器建立時(shí)間和保持時(shí)間就是固定的，沒辦法從VERILOG去修改，除非換一個(gè)芯片。
二、電路的延時(shí)
1、電路延時(shí)原理
我們知道從物理層面看電平通過每個(gè)階段都是需要一段時(shí)間的，這就是電路的延時(shí)，我們通過FPGA中最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)來學(xué)習(xí)一下電路的延時(shí)。使用了兩個(gè)D觸發(fā)器，中間由組合邏輯進(jìn)行相連，即通過一個(gè)組合邏輯電路將兩個(gè)D觸發(fā)器相連。電路圖如下圖所示：
從圖中可以看出，一個(gè)有效信號(hào)經(jīng)過D觸發(fā)器1之后，接著經(jīng)過一段組合邏輯（可以是加法器、選擇器、乘法器這些電路，也可以僅僅是連線）然后到達(dá)另一個(gè)D觸發(fā)器2，D觸發(fā)器2對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷后繼續(xù)進(jìn)行輸出。下面逐個(gè)分析這個(gè)基本結(jié)構(gòu)里面包含的時(shí)間參數(shù)。
首先Tclk1是時(shí)鐘到D觸發(fā)器1的時(shí)間。Tclk2為時(shí)鐘到達(dá)D觸發(fā)器2的時(shí)間，在真實(shí)的物理情況下，因?yàn)橛芯€路的延時(shí)，兩個(gè)時(shí)鐘采到的上升沿其實(shí)是不同的，有一點(diǎn)微小的差別；但是FPGA里面，我們經(jīng)常把這個(gè)時(shí)間忽略掉，因?yàn)槲覀?span>FPGA時(shí)鐘時(shí)專門優(yōu)化過的，它們之間的差別會(huì)比較小，因此在這里我們先忽略不計(jì)。Tclk1和Tclk2是時(shí)鐘延時(shí)。
還有一段時(shí)間為D觸發(fā)器的傳輸延時(shí)，即上升沿之后，采集到的數(shù)據(jù)從進(jìn)入到出來這段時(shí)間延時(shí)。如下圖所示，輸出信號(hào)Q在上升沿后一段時(shí)間由0變1，這段為D觸發(fā)器的傳輸延時(shí)。
接著D觸發(fā)器1之后信號(hào)需要通過組合邏輯賦到D觸發(fā)器2之前的位置，這段時(shí)間是組合邏輯的延時(shí)，即信號(hào)通過組合邏輯這段時(shí)間的延時(shí)為組合邏輯延時(shí)Tdata。
最后還有前面講到的建立時(shí)間和保持時(shí)間，信號(hào)在D觸發(fā)器2會(huì)有建立時(shí)間和保持時(shí)間，這就是D觸發(fā)器本身的延時(shí)。
2、時(shí)序表示電路的延時(shí)
這里我們可以用時(shí)序來表示這組結(jié)構(gòu)中的信號(hào)變化。如下所示，比如我們有兩個(gè)時(shí)鐘上升沿，在最開始，所有位置的信號(hào)都為0。
假設(shè)一個(gè)由0變1的信號(hào)需要通過前面的組合邏輯，首先D觸發(fā)器1前面一段由0變1，即圖中點(diǎn)a到點(diǎn)b變?yōu)?span>1，這段時(shí)間在時(shí)序中如下圖中點(diǎn)a與點(diǎn)b的位置。
1）D觸發(fā)器傳輸延時(shí)
接著是D觸發(fā)器的傳輸延時(shí)，在時(shí)鐘上升沿處，信號(hào)1從D觸發(fā)器1后輸出，即下圖中信號(hào)從c點(diǎn)輸出，這段時(shí)間的延時(shí)在時(shí)序中為時(shí)鐘上升沿處到信號(hào)輸出的延時(shí)，即下面時(shí)序圖中Tco部分。
2）組合邏輯延時(shí)間
之后信號(hào)會(huì)通過組合邏輯，這段時(shí)間為組合邏輯的延時(shí)Tdata。如下圖所示，此信號(hào)由點(diǎn)c通過組合邏輯接著傳輸?shù)近c(diǎn)d，在時(shí)序圖中為Tdata部分。
3）建立時(shí)間
當(dāng)然不要忘記我們前面講的D觸發(fā)器傳輸信號(hào)會(huì)有一段的建立時(shí)間，因此在時(shí)序中信號(hào)1會(huì)提前到達(dá)d點(diǎn)，即信號(hào)到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，到達(dá)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿還有一段時(shí)間，如下面時(shí)序圖中Tus部分所示。
當(dāng)然像上圖中這樣信號(hào)到達(dá)d點(diǎn)的時(shí)間與建立時(shí)間相等的情況是比較理想的狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)工程中大多數(shù)情況下信號(hào)1都會(huì)提前到達(dá)d點(diǎn)，等待建立時(shí)間的到來，即時(shí)間預(yù)量。實(shí)際的時(shí)序圖如下所示，可以看到信號(hào)達(dá)到d點(diǎn)的時(shí)間與D觸發(fā)器建立時(shí)間并不重合，中間會(huì)有一段時(shí)間預(yù)量，這才是實(shí)際工程中可以見到的情況。
以上就是由0變1的信號(hào)通過兩個(gè)D觸發(fā)器和一段組合邏輯的流程。在理想狀態(tài)下整個(gè)過程的延時(shí)與時(shí)間周期是相等的，但是實(shí)際情況下會(huì)有一定的變化，這時(shí)需要我們具體問題具體分析。
三、D觸發(fā)器在FPGA中的使用
1、FPGA的電路結(jié)構(gòu)
了解了兩個(gè)D觸發(fā)器的組合使用，下面學(xué)習(xí)FPGA的基本電路結(jié)構(gòu)。
FPGA的基本電路結(jié)構(gòu)如上圖所示。我們可以把電路分成兩個(gè)部分：D觸發(fā)器和組合邏輯。每?jī)蓚€(gè)D觸發(fā)器之間，都會(huì)有或多或少的組合邏輯。組合邏輯可以是乘法器、加法器、RAM，甚至就是一條簡(jiǎn)單的連線。前一個(gè)D觸發(fā)器的輸出端，經(jīng)過組合邏輯運(yùn)算后，給了下一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，等待時(shí)鐘上升沿的時(shí)候，再傳遞給D觸發(fā)器的輸出端。
上圖中，所有的D觸發(fā)器都統(tǒng)一受時(shí)鐘CLK的控制，都是在CLK的上升沿把輸入的值傳遞給輸出端。
FPGA中有4個(gè)組合邏輯A、B、C、D ，邏輯與邏輯之間，共使用了5個(gè)D觸發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)。其中組合邏輯A持續(xù)20納秒，組合邏輯B持續(xù)40納秒，組合邏輯C持續(xù)50納秒，組合邏輯D持續(xù)35納秒。時(shí)鐘周期為100納秒，即上升沿100納秒產(chǎn)生一次；每個(gè)觸發(fā)器的建立時(shí)間為5納秒，保持時(shí)間為25納秒。
2、現(xiàn)實(shí)案例
為了便于理解，我們用一個(gè)生活中的例子類比一下D觸發(fā)器與組合邏輯的關(guān)系。如下圖所示，現(xiàn)在有一個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)一款產(chǎn)品，一共需要4個(gè)步驟，分別由員工ABCD來完成，其中A做完一個(gè)工序需要2小時(shí)，B需要1小時(shí)，C需要3小時(shí)，D是0.5小時(shí)。工廠統(tǒng)一規(guī)定每隔5個(gè)小時(shí)交接一次；為了避免交接混亂，要求交接點(diǎn)前5分鐘交接，交接點(diǎn)后10分鐘才能繼續(xù)工作。
此生產(chǎn)線就像是前面我們講到的FPGA電路結(jié)構(gòu)，四個(gè)員工就相當(dāng)于FPGA中四個(gè)組合邏輯，大家在同一個(gè)環(huán)境下工作，被同一個(gè)時(shí)鐘所支配，相互間又有著傳輸關(guān)系。
要求每5個(gè)小時(shí)交接一次相當(dāng)于100納秒產(chǎn)生一次時(shí)鐘上升沿；每一位員工交接給下一位員工的這個(gè)過程就相當(dāng)于D觸發(fā)器將輸入的值賦給輸出。
所有員工在交接點(diǎn)前5分鐘都停下手中工作，進(jìn)入準(zhǔn)備交接狀態(tài)，5分鐘相當(dāng)于D觸發(fā)器的建立時(shí)間5納秒；交接點(diǎn)后10分鐘，大家依舊保持交接狀態(tài)，10分鐘相當(dāng)于D觸發(fā)器的保持時(shí)間25納秒。
公司的規(guī)定必須提前5分鐘，等待10分鐘進(jìn)行交接，就和D觸發(fā)器的硬件特性相同，交接時(shí)間是不能因?yàn)閭€(gè)人改變的；不論工作什么時(shí)候完成，在交接點(diǎn)前5分鐘一定要準(zhǔn)備交接，交接點(diǎn)后保持交接狀態(tài)10分鐘才可以繼續(xù)工作，這樣才可以保證整個(gè)生產(chǎn)線可以流暢進(jìn)行。
我們用了一個(gè)簡(jiǎn)單的案例比較清晰的理解了D觸發(fā)器，通俗來說就是需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等待在D觸發(fā)器前，D觸發(fā)器每個(gè)時(shí)鐘都會(huì)在門口進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到了有效數(shù)據(jù)后，在此時(shí)鐘上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。
以上就是明德?lián)P時(shí)序約束課程中D觸發(fā)器部分的相關(guān)知識(shí)，想要獲取時(shí)序約束相關(guān)資料的同學(xué)可以加Q 1744527324（明德?lián)P小冉）了解！
