FPGA/CPLD异步时钟技术解析

"异步时钟技术在FPGA和CPLD中的应用，以及PLD的编程技术" 异步时钟技术在现代数字系统设计中扮演着至关重要的角色，特别是在FPGA和CPLD（复杂可编程逻辑器件）中。传统的可编程逻辑器件通常依赖于单一的全局时钟信号，所有逻辑单元按照这个时钟同步工作。然而，随着技术的发展，CPLD开始支持异步时钟，这意味着各个触发器可以独立于主时钟运行，这种特性显著提高了设计的灵活性和系统的时序性能。 在CPLD中，每个触发器可以拥有独立的时钟输入，甚至可以通过数据选择器或专门的时钟网络来选择不同的时钟源。这样的设计允许在不同部分的逻辑中使用不同的时钟频率，减少了时钟域之间的同步问题，降低了时钟树的延迟，并且有助于优化功耗。此外，CPLD内部的触发器还支持异步清零和异步置位功能，这些操作可以通过乘积项逻辑来控制，增加了设计的灵活性和响应速度。 PLD的编程技术是实现这些先进功能的基础。主要有以下几种： 1. 熔丝(Fuse)和反熔丝(Anti-fuse)编程技术： - 熔丝编程技术在未编程时，熔丝处于连通状态，编程时通过熔断不需要连接的熔丝来决定逻辑功能。这种技术在早期的PLD中常见，但一旦编程完成，熔丝无法恢复，因此不适用于需要多次修改的设计。 - 反熔丝编程则相反，初始状态下开关元件是断开的，编程时通过编程电压使需要连接的反熔丝导通。Actel的FPGA器件就采用了这种技术，它具有体积小、集成度高、速度快、易加密、抗干扰和耐高温等优点，但只支持一次性编程。 2. 浮栅型电可写紫外线擦除编程技术： - 这种技术利用浮栅管（例如N沟道浮栅管）的特性，通过注入或移除电子来改变其导电状态。编程时，电子被注入浮栅，形成一个电子开关。浮栅型器件可以反复编程，但编程速度较慢，功耗较大，通常用于EPROM（可擦除可编程只读存储器）。 3. 浮栅型电可写电擦除编程技术（E2PROM）： - E2PROM器件利用隧道效应来控制浮栅中的电子，允许在不使用紫外线的情况下进行电擦除和编程。这种方法提供了更快的编程速度和更高的密度，但仍然需要在每次修改后保持电力供应以保持编程状态。 这些编程技术的选择取决于设计的需求，如灵活性、可编程次数、速度、功耗和成本等因素。随着技术的进步，现代FPGA和CPLD不仅支持异步时钟，还采用了更先进的编程技术，如SRAM基的FPGA，它们在每次上电时都需要重新加载配置，但提供了更高的设计更新速度和更复杂的逻辑功能。异步时钟技术和多样化的PLD编程技术共同推动了数字系统设计的创新和效率。