FPGA设计中毛刺问题的研究

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)以其容量大、功能强以及可靠性高等特点，在现代 数字通信系统中得到广泛的应用。采用FPGA设计数字电路已经成为数字电路系统领域的主要设计方式之一[1]。在FPGA的设计中，毛刺现象是长期困扰电子设计工程师的设计问题之一, 是影响工程师设计效率和数字系统设计有效性和可靠性的主要因素。由于信号在FPGA的内部走线和通过逻辑单元时造成的延迟,在多路信号变化的瞬间，组合逻辑的输出常常产生一些小的尖峰，即毛刺信号，这是由FPGA 内部结构特性决定的。毛刺现象在FPGA的设计中是不可避免的，有时任何一点毛刺就可以导致系统出错,尤其是对尖峰脉冲或脉冲边沿敏感的电路更是如此。因此，克服和解决毛刺问题对现代数字系统设计尤为重要。本文从FPGA的原理结构的角度探讨了产生毛刺的原因及产生的条件，在此基础上，总结了多种不同的消除方法，在最后结合具体的应用对解决方案进行深入的分析。

　　1毛刺产生的原因

　　以图1的例子分析毛刺产生的起因：图1是一个3位同步加法计数器，当使能端为高电平时，在每个时钟上升沿时刻，QA ,QB,QC从000逐步变到111，进入到全1状态后，进位输出端输出半个时钟脉冲宽度的高电平，但从图2仿真结果中可以看到在011变化到100时刻ROC出现了尖脉冲，即毛刺。

　　以Xilinx的FPGA为例分析其内部结构，如图3所示[2]。

　　FPGA芯片是由可构造的输入输出块(Input/OutputBlock，IOB)、可构造逻辑块(Cinfigur able Logic Block，CLB)和可编程连线资源(Programmable Interconnect Array，PIA)3种可构造单元构成的。IOB位于芯片内部四周，在内部逻辑阵列与外部芯片封装引脚之间提供一个可编程接口，他主要由逻辑门、触发器和控制单元组成。CLB组成了FPGA的核心阵列，能完成用户指定的逻辑功能;每个CLB主要有一个组合逻辑、几个触发器、若干个多选一电路和控制单元组成;PIA位于芯片内部的逻辑块之间，经编程后形成连线网络，用于芯片内部逻辑间的相互连接，并在他们之间传递信息。从图3中可以看出，对于不同的输入1、2，到逻辑块(M)的走线可能是不同的，这就造成了输入信号的延迟，假设1、2同时变化，由于延迟的存在，到达M时就有先有后(这种现象称为竞争)，在逻辑输出端就可能会有险象(也称冒险)，即产生了毛刺。在上述例子中的011状态,假设QA与QB同时从1变化到0，而QC提前了2 ns从0变到1 ，产生一个2 ns的高电平，这就是毛刺。也就是说，在FPGA设计中,毛刺产生的根本原因是信号在芯片内部走线时产生的延迟。

　　2毛刺产生的条件

　　借助同样的例子来分析毛刺产生的条件。QA,QB,QC在每一个时钟上升沿同时发生翻转，但实际中由于延迟的存在，并不能保证QA,QB,QC到D触发器的布线长短一致。如果QC比Q A,QB提前了2 ns，这就形成了2 ns的全1状态，称为“假象全1”，进而导致进位输出产生一个尖脉冲。值得注意的是，在3变到4即011到100时，3位中有2位同时发生翻转，即在同一时刻有大于一个的信号发生改变。由于延迟的作用，多个信号到达终点的时间有先有后，形成了竞争，由竞争产生的错误输出就是毛刺。所以,毛刺发生的条件就是在同一时刻有多个信号输入发生改变。