FPGA/CPLD常用的四種設計方法

在電路圖設計階段，一些工程師手工加入BUFT或者非門調整數據延遲，從而保證本級模塊的時鐘對上級模塊數據的建立、保持時間要求。還有一些工程師為了有穩定的采樣，生成了很多相差90度的時鐘信號，時而用正沿打一下數據，時而用負沿打一下數據，用以調整數據的采樣位置。這兩種做法都十分不可取，因為一旦芯片更新換代或者移植到其它芯片組的芯片上，采樣實現必須從新設計。而且，這兩種做法造成電路實現的余量不夠，一旦外界條件變換(比如溫度升高)，采樣時序就有可能完全紊亂，造成電路癱瘓。

下面簡單介紹幾種不同情況下數據接口的同步方法：

1. 輸入、輸出的延時(芯片間、PCB布線、一些驅動接口元件的延時等)不可測，或者有可能變動的條件下，如何完成數據同步？

對于數據的延遲不可測或變動，就需要建立同步機制，可以用一個同步使能或同步指示信號。另外，使數據通過RAM或者FIFO的存取，也可以達到數據同步目的。

把數據存放在RAM或FIFO的方法如下：將上級芯片提供的數據隨路時鐘作為寫信號，將數據寫入RAM或者FIFO，然后使用本級的采樣時鐘(一般是數據處理的主時鐘)將數據讀出來即可。這種做法的關鍵是數據寫入RAM或者FIFO要可靠，如果使用同步RAM或者FIFO，就要求應該有一個與數據相對延遲關系固定的隨路指示信號，這個信號可以是數據的有效指示，也可以是上級模塊將數據打出來的時鐘。對于慢速數據，也可以采樣異步RAM或者FIFO，但是不推薦這種做法。

數據是有固定格式安排的，很多重要信息在數據的起始位置，這種情況在通信系統中非常普遍。通訊系統中，很多數據是按照“幀”組織的。而由于整個系統對時鐘要求很高，常常專門設計一塊時鐘板完成高精度時鐘的產生與驅動。而數據又是有起始位置的，如何完成數據的同步，并發現數據的“頭”呢？

數據的同步方法完全可以采用上面的方法，采用同步指示信號，或者使用RAM、FIFO緩存一下。

找到數據頭的方法有兩種，第一種很簡單，隨路傳輸一個數據起始位置的指示信號即可，對于有些系統，特別是異步系統，則常常在數據中插入一段同步碼(比如訓練序列)，接收端通過狀態機檢測到同步碼后就能發現數據的“頭”了，這種做法叫做“盲檢測”。

上級數據和本級時鐘是異步的，也就是說上級芯片或模塊和本級芯片或模塊的時鐘是異步時鐘域的。

前面在輸入數據同步化中已經簡單介紹了一個原則：如果輸入數據的節拍和本級芯片的處理時鐘同頻，可以直接用本級芯片的主時鐘對輸入數據寄存器采樣，完成輸入數據的同步化；如果輸入數據和本級芯片的處理時鐘是異步的，特別是頻率不匹配的時候，則只有用處理時鐘對輸入數據做兩次寄存器采樣，才能完成輸入數據的同步化。需要說明的是，用寄存器對異步時鐘域的數據進行兩次采樣，其作用是有效防止亞穩態(數據狀態不穩定)的傳播，使后級電路處理的數據都是有效電平。但是這種做法并不能保證兩級寄存器采樣后的數據是正確的電平，這種方式處理一般都會產生一定數量的錯誤電平數據。所以僅僅適用于對少量錯誤不敏感的功能單元。

為了避免異步時鐘域產生錯誤的采樣電平，一般使用RAM、FIFO緩存的方法完成異步時鐘域的數據轉換。最常用的緩存單元是DPRAM，在輸入端口使用上級時鐘寫數據，在輸出端口使用本級時鐘讀數據，這樣就非常方便的完成了異步時鐘域之間的數據交換。

2. 設計數據接口同步是否需要添加約束？

建議最好添加適當的約束，特別是對于高速設計，一定要對周期、建立、保持時間等添加相應的約束。

這里附加約束的作用有兩點：

a. 提高設計的工作頻率，滿足接口數據同步要求。通過附加周期、建立時間、保持時間等約束可以控制邏輯的綜合、映射、布局和布線，以減小邏輯和布線延時，從而提高工作頻率，滿足接口數據同步要求。

b. 獲得正確的時序分析報告。幾乎所有的FPGA設計平臺都包含靜態時序分析工具，利用這類工具可以獲得映射或布局布線后的時序分析報告，從而對設計的性能做出評估。靜態時序分析工具以約束作為判斷時序是否滿足設計要求的標準，因此要求設計者正確輸入約束，以便靜態時序分析工具輸出正確的時序分析報告。

Xilinx和數據接口相關的常用約束有Period、OFFSET_IN_BEFORE、OFFSET_IN_AFTER、OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER等；Altera與數據接口相關的常用約束有Period、tsu、tH、tco等。