FPGA关键概念：建立/保持时间、竞争冒险与内部毛刺的解析

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，其设计灵活性使得它在许多应用领域具有高可靠性。然而，为了确保FPGA的可靠运行，理解和掌握与之相关的几个关键概念至关重要。 首先，建立时间和保持时间是衡量FPGA性能的重要参数。建立时间(setuptime)是指数据稳定之前，触发器需要接收到时钟信号上升沿的提前时间，若不足可能导致数据丢失。保持时间(holdtime)则是数据稳定后，数据能被保持在触发器内的最短时间，两者共同确保了数据的准确传输。在实际设计中，虽然在某些特殊情况下这两个时间可能为零，但通常都需要满足严格的限制。 其次，竞争和冒险是数字电路设计中常见的问题。竞争指的是多个信号路径试图同时控制同一个输出，由于延迟不同，可能导致输出结果不确定。冒险则更进一步，当输出信号的高低电平转换期间，由于信号延时和逻辑单元的响应差异，可能会产生毛刺，即尖峰信号，这会导致逻辑错误。在FPGA中，由于内部结构的不同，寄生电容和电感的存在较少，因此竞争和冒险问题更为显著。 毛刺产生的原因是信号在FPGA内部传输过程中受到线路长度、逻辑单元数量、制造工艺、工作电压和温度等多种因素的影响。当多路信号电平发生变化时，由于信号传输的非同步性，可能会在输出端出现毛刺。例如，在图6.21所示的逻辑冒险示例中，由于A、B、C、D四个输入信号经过不同的延时路径到达或门，导致输出信号OUT出现毛刺。 总结来说，设计FPGA电路时，必须充分考虑建立时间、保持时间和信号处理延迟，以避免竞争和冒险引起的毛刺问题。对于内部毛刺，PLD/FPGA的设计者需要使用高级的建模工具和仿真技术来分析和优化电路，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，为了减少毛刺的影响，可能需要采用时序约束、布线策略优化和适当的噪声抑制技术。了解这些概念并有效应用，对于FPGA的可靠性保障至关重要。