經(jīng)典面試題：建立時間與保持時間

我曾背過這個答案N多遍，但是依然沒有理解。

直到...

一、同步電路設(shè)計

同步電路系統(tǒng)設(shè)計將系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時鐘信號同步，并通過這種理想化的方式降低電路設(shè)計難度。同步電路設(shè)計是FPGA設(shè)計的基礎(chǔ)。

但是伴隨著集成電路的微縮化和大規(guī)模化，同步式電路的一些問題也顯現(xiàn)出來。有研究提出了基于異步電路實現(xiàn)FPGA的思路。這個后面再談。

二、觸發(fā)器

觸發(fā)器(Flip Flip，F(xiàn)F)是一種只能存儲1個二進(jìn)制位(bit)的存儲單元，可以用作時序邏輯電路的記憶元件。FPGA邏輯單元的D觸發(fā)器(DFF)就是一種在時鐘的上升沿將輸入信號的變化傳送至輸出的邊沿D觸發(fā)器。DFF的符號和真值表如下圖所示：

2.1 D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)

CMOS傳輸門構(gòu)成的D邊沿觸發(fā)器電路如下圖所示：

CMOS工藝下的D-FF結(jié)構(gòu)如下圖所示：

先由傳輸門和兩個反相器組成一個循環(huán)電路(鎖存器)，再有前后兩級鎖存器按主從結(jié)構(gòu)連接而成。這里的傳輸門起開關(guān)作用，隨著CLK的狀態(tài)切換開關(guān)。只看輸出的話，前級鎖存器的值會隨著時鐘輸入的變化井然有序的傳入后級鎖存器。為了防止時鐘信號變化時輸入信號發(fā)生冒險，從而使輸入數(shù)據(jù)穩(wěn)定的進(jìn)入前級鎖存器，前級鎖存器的時鐘相位應(yīng)與輸入數(shù)據(jù)的電路時鐘相位相反。

2.2 D觸發(fā)器工作原理

D-FF的工作原理，如下圖所示：

當(dāng)CLK=0時(主鎖存器工作)，位于前級的主鎖存器將輸入D的值保存進(jìn)來，后級的從鎖存器將維持上一個時鐘周期的數(shù)據(jù)。由于此時前級與后級的反相器環(huán)路之間的傳輸門是關(guān)閉狀態(tài)，所以前級的信號不會傳到后級。

當(dāng)CLK=1時(從鎖存器工作)，前級主鎖存器的值將會傳到后級，同時輸入D的信號將會被隔離在外。此時如果前級反相器環(huán)路中的信號沒有循環(huán)一圈以上，就會出現(xiàn)如下圖所示的在0和1之間搖擺的中間電位，這就是所謂的亞穩(wěn)態(tài)。

三、建立時間和保持時間

由于亞穩(wěn)態(tài)時間比延遲時間長，在該階段讀取數(shù)據(jù)可能會引起錯誤，所以我們引入建立時間(setup time)來約束在時鐘上升沿到來之前輸入D保持穩(wěn)定的時間。

當(dāng)CLK=1時，如果輸入D在傳輸門關(guān)閉之前就發(fā)生變化，那么本該在下一周期讀取的數(shù)據(jù)就會提前進(jìn)入鎖存器，從而引起反相器環(huán)路振蕩或產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。因此在CLK=1之后也需要輸入D維持一定的時間，我們稱之為保持時間(hold time)約束。

審核編輯：湯梓紅