FPGA设计高级篇：时序分析与电路设计技巧

"该资源主要讨论了在数字电路设计中的一些关键概念，特别是与FPGA设计相关的技术。其中，竞争冒险是重要的问题之一，而Johnson码作为一种有效的编码方式被提及，同时介绍了Moore型和Mealy型状态机的差异以及锁存器、触发器和寄存器的区别。此外，文件还涵盖了时序分析技巧、设计原则和常用电路设计方法。" 在数字电路设计中，竞争冒险是一个可能导致错误输出的现象，尤其在FPGA设计中必须予以重视。当两个或多个信号几乎同时到达某个门电路的输入端，由于电路的延迟差异，可能会导致输出不稳定，这种现象称为竞争冒险。为了避免竞争冒险，设计者需要确保所有信号的路径延迟是确定的，并且尽可能避免同时激活可能引起竞争的信号。 Johnson码，又称扭环计数器，是一种利用移位寄存器和反相器来创建特定状态序列的方法。它的优点在于相邻状态之间的差异仅有一位，这有助于减少亚稳态的出现，提高速度。然而，Johnson码的缺点是需要额外的触发器，增加了硬件资源的使用。 状态机是数字系统中的核心组件，Moore型状态机的输出仅依赖于当前状态，而Mealy型状态机的输出则取决于当前状态和输入。Moore型的状态机输出通常会延迟一个时钟周期，因为它基于当前状态进行计算，而Mealy型则能够立即响应输入变化。 锁存器、触发器和寄存器是时序逻辑的基础元件。锁存器是对电平敏感的器件，其状态改变发生在电平变化时，属于组合逻辑；触发器则对边沿敏感，其状态在时钟边沿发生变化，属于时序逻辑；寄存器通常由多个触发器组成，用于存储数据。 在FPGA设计中，理解和掌握这些基础知识至关重要，包括时序分析技巧、设计原则和常用电路设计方法，可以帮助设计者优化设计，提高系统的可靠性和效率。例如，合理使用乒乓操作、流水线技术、串并转换以及异步时钟域的数据同步，能够显著提升系统性能。此外，模块划分、时钟设计和复位信号设计也是保证设计质量的关键因素。