FPGA時(shí)序設(shè)計(jì)：觸發(fā)器D2的建立時(shí)間與保持時(shí)間條件探索

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別是在基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的設(shè)計(jì)中，時(shí)序約束是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的關(guān)鍵因素。時(shí)鐘周期、觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間，以及組合邏輯電路的延遲，共同構(gòu)成了FPGA時(shí)序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文將深入探討觸發(fā)器D2的建立時(shí)間T3和保持時(shí)間應(yīng)滿足的條件，特別是在給定時(shí)鐘周期T、觸發(fā)器D1的建立時(shí)間最大T1max和最小T1min，以及組合邏輯電路最大延遲T2max和最小延遲T2min的情況下。

時(shí)序參數(shù)解析

首先，我們需要明確幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)序參數(shù)的定義：

時(shí)鐘周期T：時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)完整周期，決定了系統(tǒng)能夠處理數(shù)據(jù)的最大速率。

觸發(fā)器建立時(shí)間：在時(shí)鐘邊沿到來之前，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定在觸發(fā)器輸入端的最小時(shí)間。對(duì)于觸發(fā)器D1，其建立時(shí)間有一個(gè)最大值T1max和一個(gè)最小值（雖然在實(shí)際設(shè)計(jì)中，最小值通常不是關(guān)鍵約束，但這里為了完整性而提及）。

觸發(fā)器保持時(shí)間：在時(shí)鐘邊沿到來之后，數(shù)據(jù)必須保持在觸發(fā)器輸入端的最小時(shí)間。

組合邏輯延遲：從輸入信號(hào)變化到輸出信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間。對(duì)于給定的組合邏輯電路，其延遲有一個(gè)最大值T2max和最小值T2min。

觸發(fā)器D2的建立時(shí)間條件

觸發(fā)器D2的建立時(shí)間T3是確保數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之前穩(wěn)定到達(dá)其輸入端的關(guān)鍵參數(shù)。為了滿足這一要求，我們需要考慮從觸發(fā)器D1的輸出到觸發(fā)器D2的輸入之間的整個(gè)數(shù)據(jù)路徑。

最大建立時(shí)間條件：

考慮到最壞情況（即最大延遲路徑），從觸發(fā)器D1的輸出到觸發(fā)器D2的輸入的總延遲為T1max（D1的建立時(shí)間，雖然這里不是直接的延遲，但代表了D1數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時(shí)間上限）+ T2max（組合邏輯的最大延遲）。

因此，觸發(fā)器D2的建立時(shí)間T3必須滿足：T3 ≤ T - (T1max + T2max)。這里，T是時(shí)鐘周期，確保了數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之前有足夠的時(shí)間穩(wěn)定。

最小建立時(shí)間條件（通常不直接作為約束）：

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，觸發(fā)器的最小建立時(shí)間通常不是主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)橹灰獢?shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之前穩(wěn)定，且滿足最大建立時(shí)間條件，就可以認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求。

然而，從理論上講，如果組合邏輯的最小延遲T2min非常小，以至于與觸發(fā)器D1的最小建立時(shí)間（如果存在的話）相加后仍然遠(yuǎn)小于時(shí)鐘周期T，那么這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響，但這通常不是設(shè)計(jì)時(shí)的首要考慮因素。

觸發(fā)器D2的保持時(shí)間條件

觸發(fā)器D2的保持時(shí)間是指數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之后必須保持在輸入端的最小時(shí)間。這個(gè)條件主要由觸發(fā)器D2本身的特性決定，但同時(shí)也受到組合邏輯延遲的影響，因?yàn)榻M合邏輯延遲決定了數(shù)據(jù)從觸發(fā)器D1輸出到觸發(fā)器D2輸入的傳播時(shí)間。

保持時(shí)間條件：

觸發(fā)器D2的保持時(shí)間應(yīng)滿足其數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的最小保持時(shí)間要求。

由于組合邏輯延遲的存在，特別是最大延遲T2max，我們需要確保在時(shí)鐘邊沿之后，數(shù)據(jù)在觸發(fā)器D2的輸入端保持足夠的時(shí)間，以滿足其保持時(shí)間要求。

實(shí)際上，由于時(shí)鐘邊沿的同步性，只要數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之前穩(wěn)定（滿足建立時(shí)間要求），并且組合邏輯延遲不是極端情況（即不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之后立即變化），觸發(fā)器D2的保持時(shí)間通常能夠得到滿足。

結(jié)論

在FPGA時(shí)序設(shè)計(jì)中，觸發(fā)器D2的建立時(shí)間T3和保持時(shí)間是確保數(shù)據(jù)正確捕獲和處理的關(guān)鍵參數(shù)。通過深入分析時(shí)鐘周期、觸發(fā)器D1的建立時(shí)間、組合邏輯延遲等時(shí)序參數(shù)之間的關(guān)系，我們可以得出觸發(fā)器D2的建立時(shí)間應(yīng)滿足T3 ≤ T - (T1max + T2max)的條件，以確保數(shù)據(jù)在時(shí)鐘邊沿之前穩(wěn)定到達(dá)其輸入端。同時(shí)，觸發(fā)器D2的保持時(shí)間應(yīng)滿足其數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的最小保持時(shí)間要求，并考慮到組合邏輯延遲的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要綜合考慮這些時(shí)序參數(shù)，以優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。