毛刺的产生与消除

1 竞争与冒险

当一个逻辑门的输入有两个或两个以上的变量发生改变时，由于这些变量是经过不同路径产生的，使得它们状态改变的时刻有先有后，这种时差引起的现象称为竞争（Race）。竞争的结果将很可能导致冒险（Hazard）发生（例如产生毛刺），造成错误的后果，并影响系统的工作。

组合逻辑电路的冒险仅在信号状态改变的时刻出现毛刺，这种冒险是过渡性的，它不会使稳态值偏离正常值，但在时序电路中，冒险是本质的，可导致电路的输出值永远偏离正常值或者发生振荡。

避免冒险的最简单的方法是同一时刻只允许单个输入变量发生变化，或者使用寄存器采样的办法。

2.毛刺的产生与危害

信号在FPGA 器件中通过逻辑单元连线时，一定存在延时。延时的大小不仅和连线的长短和逻辑单元的数目有关，而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。因此，信号在器件中传输的时候，所需要的时间是不能精确估计的，当多路信号同时发生跳变的瞬间，就产生了“竞争冒险”。这时，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号就是“毛刺”。

下面具体看一下毛刺是如何产生的。如图为一个与门电路：

我们期望的设计是a和b信号同时变化，这样输出 OUT 将一直为 0，但是实际中OUT产生了毛刺，它的波形如下所示：

可见，即使是在最简单的逻辑运算中，如果出现多路信号同时跳变的情况，在通过内部走线之后，就一定会产生毛刺。而现在数字电路设计中的信号往往是由时钟控制的，如果将带有毛刺的输出信号直接连接到时钟输入端、清零或置位端口的设计，可能会导致严重的后果；此外对于多数据输入的复杂运算系统，每个数据都由相当多的位数组成。这时，每一级的毛刺都会对结果有严重的影响，如果是多级的设计，那么毛刺累加后甚至会影响整个设计的可靠性和精确性。

判断一个逻辑电路在某些输入信号发生变化时是否会产生毛刺，首先要判断信号是否会同时变化，然后判断在信号同时变化的时候，是否会产生毛刺，这可以通过逻辑函数的卡诺图或逻辑函数表达式来进行判断。

3.毛刺的消除

毛刺是数字电路设计中的棘手问题，它的出现会影响电路工作的稳定性、可靠性，严重时会导致整个数字系统的误动作和逻辑紊乱。

可以通过以下几种方法来消除毛刺：

3.1 输出加D触发器

这是一种比较传统的去除毛刺的方法。原理就是用一个D触发器去读带毛刺的信号，利用 D 触发器对输入信号的毛刺不敏感的特点，去除信号中的毛刺。在实际中，对于简单的逻辑电路，尤其是对信号中发生在非时钟跳变沿的毛刺信号，去除效果非常的明显。 但是如果毛刺信号发生在时钟信号的跳变沿，D 触发器的效果就没有那么明显了（加 D触发器以后的输出 q，仍含有毛刺）。另外，D 触发器的使用还会给系统带来一定的延时，特别是在系统级数较多的情况下，延时也将变大，因此在使用 D 触发器去除毛刺的时候，一定要视情况而定，并不是所有的毛刺都可以用 D 触发器来消除。

3.2 信号同步法

设计数字电路的时候采用同步电路可以大大减少毛刺。由于大多数毛刺都比较短（大概几个纳秒），只要毛刺不出现在时钟跳变沿，毛刺信号就不会对系统造成危害了。因此一般认为，只要在整个系统中使用同一个时钟就可以实现系统同步。但是，时钟信号在FPGA器件中传递时是有延时的，我们无法预知时钟跳变沿的精确位置。也就是说我们无法保证在某个时钟的跳变沿读取的数据是一个稳定的数据，尤其是在多级设计中，这个问题就更加突出。因此，做到真正的"同步"就是去除毛刺信号的关键问题。所以同步的关键就是保证在时钟的跳变沿读取的数据是稳定的数据而不是毛刺数据。以下为两种具体的信号同步方法。

（1）信号延时同步法

信号延时法，它的原理就是在两级信号传递的过程中加一个延时环节，从而保证在下一个模块中读取到的数据是稳定后的数据，即不包含毛刺信号。这里所指的信号延时可以是数据信号的延时，也可以是时钟信号的延时。

（2）状态机控制

使用状态机也可以实现信号的同步和消除毛刺的目的。在数据传递比较复杂的多模块系统中，由状态机在特定的时刻分别发出控制特定模块的时钟信号或者模块使能信号，状态机的循环控制就可以使得整个系统协调运作，同时减少毛刺信号。那么只要我们在状态机的触发时间上加以处理，就可以避免竞争冒险，从而抑制毛刺的产生。

3.3格雷码计数器

对于一般的二进制或十进制计数器，在计数时，将有多位信号同时跳变。例如一个3bit二进制计数器，由’111’转换为’000’时，必将产生毛刺。此时，使用格雷码计数器将避免毛刺的出现，因为格雷码计数器的输出每次只有一位跳变。

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