大型设计中FPGA的多时钟设计策略

2 减少时钟数量

根据市场调查，目前还没有哪个FPGA器件能够支持这种多路复用器/解复用器设计所需的40个时钟。所以，我们必须减少所需要的时钟数。

首先了解E2和E3多路复用器的时钟。前面已经分析了4个E2多路复用器工作在相同时钟下的可接受度，E3多路复用器运行于比E2时钟高得多的速率，必需使用一个不同的时钟。但是，如果我们从E3时钟中引出E2时钟是否可行呢？因为E3多路复用器要从每个E2支路得到数据，我们可以在需要E2多路复用器给我们数据时，简单地将脉冲送给每个多路复用器。我们没有去掉任何时钟，但E2时钟现在是基于E3时钟。

如果在所有的多路复用器中也使用同样的时钟，并且只使用一个使能信号来告诉E2多路复用器什么时候工作，这时会产生什么问题呢？如果E3多路复用器用34.368MHz时钟产生使能信号，在这些使能信号上的抖动不会比用在FPGA中任何其它同步逻辑更大。所以，使能信号可以使用正常(高抖动)布线资源，这样就不需要单独的8.448MHz多路复用器时钟，读取E1数据缓冲器的数据时也是一样。换言之，如果E2多路复用器需要数据，它可以激活到特定缓冲器的使能信号。到缓冲器的时钟本身能够保持E3多路复用器所用的34.368MHz时钟，如图5所示。

最后，我们检查16个从线路接口芯片输入到FPGA的E1时钟。这些时钟有会产生下面几个问题：首先，16个时钟将占用太多可用芯片时钟布线资源；其次，在同一个FPGA中使用16个异步时钟来驱动相互邻近的触发器，由于地弹、串扰和其它效应将产生噪声问题。例如，由于噪声的原因，一个正边沿触发器会在下降边沿时改变输出状态，此类问题将难以处理。

作为一种可能的解决方案，我们推荐使用一个最快的时钟来对16个E1时钟采样。16个输入时钟都接近2.048MHz，并且还有一个34.368MHz的系统时钟。这样，我们可以用34.368MHz时钟来对16个E1时钟分别进行采样，并将结果存储在一个16位存储器中(每个E1时钟一个位)。然后，我们可以使用一个算法来检测在E1时钟上由低至高的转换，为每一个E1数据信号产生一个使能信号，并在下一个周期(34.368MHz)中存储数据。

要成功实现这种方案，还必需了解时钟-数据关系以避免在数据变化时对数据采样，参见图6。请注意在时钟采样电路的第一级中使用了两个触发器以确保在亚稳态下正常工作。另外需要注意的是，数据和时钟必须具有相同时钟周期数的延迟。

我们已经成功地将多路复用器的时钟减少到一个时钟，同样的方法可否用在解复用器呢？E3解复用器必须采用一个外部输入时钟，这是因为驱动E3输入数据的同一个片外器件利用到该时钟。由于E3解复用器知道在什么时候发送数据到E2解复用器，并能对每个E2解复用器产生使能信号，而四个E2解复用器能工作在与E3多路复用器相同的主时钟下。同样，E2多路复用器能够为每个E1流产生使能信号。

如果我们假设线路接口芯片能够接受有间隙的时钟(gapped clock)，一旦确定发出E1使能信号,我们只需要发送一个时钟脉冲至线路接口。然而，只需要简单地发送使能信号本身至接口芯片而不必产生一个新的时钟。因为送至接口的数据将在使能信号的下降沿产生改变(参见图5)，我们需要确认接口在时钟的上升沿进行采样。因为使能信号仅在线路接口芯片上而不是在FPGA内用作一个时钟，就没有必要在一个低抖动源中进行布线。注意这是在知道将再也不会用主时钟的连续脉冲送数据到相同的从属器件中时才这样做。

1MHz SPI时钟并不能简单去掉，但我们现在通过使用使能信号和时钟过采样技术，将原先40个时钟减少到3个，这样我们就有了更大的器件选择范围。

3 异步时钟

在用异步时钟产生任何逻辑前应该尽量先考虑采用其它替代方法，用异步时钟的组合逻辑是产生亚稳态问题的主要原因。同样，当违反触发器的设置和保持时间约束时，在一个短时间内输出将具有不确定性，并且将最终设定在“1”或“0”上，确切的状态不可预知。

幸运的是对于亚稳态性问题已经有一些解决方案。图6说明了这一方案，这是一种双寄存器方法：进入第一级触发器的数据与时钟异步，所以第一级触发器几乎肯定是亚稳态；然而，只要亚稳态的长度小于时钟的周期，第二级触发器就不会进入亚稳态。但是，FPGA供应商很少提供亚稳态时间，尽管该时间一般小于触发器的设置和保持时间之和。

如果时钟不是太快而且能满足时序约束的话，像图6所示的电路将可能不会产生亚稳态。只要所有输出到触发器的通路由相同时钟驱动，即使第一级触发器的输出可用，通常还是需要用像图6中电路来将亚稳态隔离到一条短线。采用这种方法后，将不太可能出现由于电路的改变而无意地在无时钟驱动的逻辑中用到该亚稳太线。

如果读数据的是一个计数器，像从一个异步FIFO读或写地址，你应该考虑下列情况：一个传统的3位计数器在状态之间有一个、两个或三个位的变化，例如读数发生在计数器从“011”到“100”变化的瞬间，则所有三个位的值将不确定，读的值会是八种可能状态中的任一种。如果计数器是使用格雷码，如表所示，则每次仅有一位发生状态改变，如果读数发生在计数器变化的瞬间，则只有一个位会有问题，所以在读操作中只有两种可能结果，而且这两种可能结果是计数器正好在读以前的值和正好在读以后的值时。因为读正好发生在计数器产生变化的瞬间，你不可能确切地说哪个值是正确的，即两者都应该认为是有效的。

另一个避免异步时钟问题的方法是忽略较慢的时钟，并用较快的时钟来采样。这需要数据有特殊的成帧特性(例如，具有一个前导码)来定义数据边界。这是一个常用的方法，在差不多每一个具有UART形式的嵌入式系统都有应用。该方法是：采用一个非常快的时钟，比如数据符号率的16倍，在连续发现15个起始字符后开始采样，则下一个16(左右)位相当于送的第一个位，再下一个16(左右)位对应下一个位，并以次类推。