一、概述
ＦＰＧＡ是當(dāng)今數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域最熱門的話題之一，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能，提高系
統(tǒng)性能、集成度和可靠性的有力武器。但是，對于初用者，特別是對于那些習(xí)慣于ＴＴＬ
電路設(shè)計(jì)的初用者來說，ＦＰＧＡ的有效應(yīng)用并不像某些廠家廣告中所說的那么輕松。誠
然，學(xué)會使用設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)一個(gè)ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)是一件很容易的事，但是要獲得比較理想的
結(jié)果就不那么容易了。經(jīng)驗(yàn)表明，對于同一個(gè)設(shè)計(jì)，那些會使用適合于ＦＰＧＡ體系結(jié)構(gòu)
特點(diǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)者與不能有效地使用適合于ＦＰＧＡ體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)的初
用者，在芯片資源利用率和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)速度兩方面的差距往往高達(dá)５０％～１００％，有時(shí)
甚至更大些。造成這種差別的原因主要有兩個(gè)方面：一是ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)工具不夠完善，其
邏輯分割和布局布線與用戶描述設(shè)計(jì)的方法有很大關(guān)系；二是ＦＰＧＡ與傳統(tǒng)ＰＬＤ和Ｔ
ＴＬ標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路在體系結(jié)構(gòu)方面有很大差別，因此設(shè)計(jì)技巧往往不盡相同，那些用戶習(xí)
慣了的、適合于傳統(tǒng)ＰＬＤ和ＴＴＬ標(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)對ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)來說往往不
是最優(yōu)的，有時(shí)甚至是最差的。因此，充分了解ＦＰＧＡ器件體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用相適
應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)對于有效地應(yīng)用ＦＰＧＡ技術(shù)是非常重要的。
傳統(tǒng)ＰＬＤ是一種基于陣列結(jié)構(gòu)的器件，由ＡＮＤ陣列和ＯＲ陣列組成的，ＡＮＤ陣
列的輸出驅(qū)動ＯＲ陣列，而ＯＲ陣列的輸出驅(qū)動輸出單元，并可反饋回ＡＮＤ陣列。傳統(tǒng)
ＰＬＤ的觸發(fā)器位于輸出單元，往往是每個(gè)輸出單元有一個(gè)觸發(fā)器，由ＯＲ門的輸出驅(qū)動
。ＰＬＤ的ＡＮＤ門比較寬，通常可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)幾十個(gè)輸入變量的邏輯與功能，每個(gè)與門
通常也稱為一個(gè)乘積項(xiàng)。與ＡＮＤ門相反，ＰＬＤ的或門比較窄，往往只有幾個(gè)輸入變量
。ＯＲ門的輸入是ＡＮＤ門的輸出，它實(shí)現(xiàn)乘積項(xiàng)之和的操作。ＰＬＤ的輸出單元和觸發(fā)
器數(shù)量有限，但每個(gè)輸出單元的組合邏輯能力很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的與或操作，因此是
組合邏輯密集型器件，其組合邏輯資源與觸發(fā)器資源的比例往往高達(dá)５：１～１０：１。
ＰＬＤ設(shè)計(jì)的一個(gè)原則就是盡可能地充分利用其組合邏輯能力，盡可能地節(jié)約觸發(fā)器資源
。與ＰＬＤ相反，ＦＰＧＡ是觸發(fā)密集型器件，構(gòu)成芯片內(nèi)部邏輯單元陣列的每個(gè)邏輯單
元往往設(shè)有１～２個(gè)觸發(fā)器，但其組合邏輯功能比較弱，組合邏輯資源與觸發(fā)器資源的比
例通常為２：１。事實(shí)上，ＦＰＧＡ主要是與門陣列而不是與ＰＬＤ爭奪市場，其邏輯單
元是面向細(xì)粒度組合邏輯功能而優(yōu)化設(shè)計(jì)的，復(fù)雜的組合邏輯功能必須由多個(gè)邏輯單元分
級實(shí)現(xiàn)。ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)的一個(gè)原則是充分利用豐富的觸發(fā)器資源，盡可能降低每個(gè)組合邏
輯操作的復(fù)雜度。
中小規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是在滿足性能要求的前提下盡可能地減少器件
的使用量，其特點(diǎn)是用戶從元件庫中調(diào)用的第一個(gè)符號都對應(yīng)于ＰＣＢ上的一塊組件，調(diào)
用的符號越多往往意味著使用的器件越多，同時(shí)各個(gè)器件之間的連線是做在ＰＣＢ上的，
各種信號線之間沒有什么差別，且走線自由，延遲很小。ＦＰＧＡ則不同，用戶從元件庫
中調(diào)用的符號只是描述某一功能，往往不對應(yīng)于特定的封裝。用戶多調(diào)用一些符號，特別
是反相器，往往并不意味著會多消耗一些芯片資源；相反，調(diào)用較少的符號有時(shí)反而會需
要更多的芯片資源。此外，在ＦＰＧＡ中，各種互連資源的數(shù)量是固定的，所能實(shí)現(xiàn)的互
連模式也是有一定限制的，且互連延遲往往也是很可觀的，有時(shí)要占總信號鏈路延遲的５
０％。
因此，ＦＰＧＡ與ＰＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ標(biāo)準(zhǔn)電路在器件結(jié)構(gòu)等方面存在著很大的
差異，為了獲得比較理想的性能，需要針對各種器件的特點(diǎn)采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，若將Ｐ
ＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ電路的設(shè)計(jì)技巧生搬硬套到ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)中，往往會導(dǎo)致很差的性
能。本文的其余部分將討論各種常見邏輯功能的ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)技術(shù)。
二、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
狀態(tài)機(jī)是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的時(shí)序控制功能，ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)在狀態(tài)編碼方案、
等待狀態(tài)生成和大型復(fù)雜狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)等方面與傳統(tǒng)ＰＬＤ設(shè)計(jì)和ＳＳＩ／ＭＳＩ標(biāo)準(zhǔn)邏輯
電路設(shè)計(jì)有著很大的差別。
首先，在ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)中，Ｏｎｅ－Ｈｏｔ狀態(tài)編碼方案比二進(jìn)制狀態(tài)編碼方案更有
效，而在ＰＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ設(shè)計(jì)中，二進(jìn)制狀態(tài)編碼方案則更合適。所謂Ｏｎｅ－
Ｈｏｔ狀態(tài)編碼方案就是每個(gè)狀態(tài)由一位觸發(fā)器來表示，而二進(jìn)制狀態(tài)編碼方案是用Ｌｏ
ｇ，［２］［Ｎ］位觸發(fā)器表示Ｎ個(gè)狀態(tài)，在ＰＬＤ設(shè)計(jì)中，由于其觸發(fā)器資源有限，故
通常采用二進(jìn)制編碼方案來表示各個(gè)狀態(tài)，然后用組合邏輯對狀態(tài)編碼進(jìn)行譯碼，生成狀
態(tài)輸出信號和狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制信號。由于ＰＬＤ是組合邏輯密集型器件，其ＡＮＤ－ＯＲ陣
列可以在相同的延遲時(shí)間內(nèi)完成各種復(fù)雜的譯碼功能，因此這種方案是適合于其器件體系
結(jié)構(gòu)的。ＦＰＧＡ是觸發(fā)器密要型器件，其邏輯單元的組合邏輯能力相對ＰＬＤ的ＡＮＤ
－ＯＲ陣列而言是很弱的，只有幾個(gè)輸入端，因此往往不宜采用二進(jìn)制狀態(tài)編碼方案，因
為這樣做會導(dǎo)致復(fù)雜的組合運(yùn)算，增加邏輯鏈路級數(shù)，降低工作速度。對ＦＰＧＡ而言，
更合適的是采用Ｏｎｅ－Ｈｏｔ狀態(tài)編碼方案，因?yàn)榇藭r(shí)狀態(tài)生成邏輯的輸入直接來自狀
態(tài)觸發(fā)器的輸出端，不必對狀態(tài)進(jìn)行譯碼，操作比較簡單，每個(gè)狀態(tài)的生成信號往往可以
在一個(gè)邏輯單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，且狀態(tài)輸出信號直接取自狀態(tài)寄存器的輸出，也不必對狀態(tài)進(jìn)行
譯碼，因此有利于獲得較高的速度。經(jīng)驗(yàn)表明，在ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)中，Ｏｎｅ－Ｈｏｔ編碼
方案通常可使?fàn)顟B(tài)機(jī)的工作速度比ＰＬＤ常用的二進(jìn)制編碼方案快５０％～１００％。同
時(shí)，ＳＳＩ／ＭＳＩ電路設(shè)計(jì)中常用的用可裝入計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的方法雖可減少器件數(shù)
量，但不能有效利用ＦＰＧＡ的門電路，故也不適合于ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)。
其次，ＰＬＤ設(shè)計(jì)中常用計(jì)數(shù)器生成狀態(tài)機(jī)所需要的等待狀態(tài)。這種方法對于組合邏
輯資源豐富和觸發(fā)器資源較少的ＰＬＤ器件而言是很合適的，但對觸發(fā)器資源豐富和邏輯
單元組合邏輯能力較弱的ＦＰＧＡ來說就不是很合適，此時(shí)比較有效的是使用移位寄存器
來生成等待狀態(tài)，以獲得更高的速度。
最后，在用ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜狀態(tài)機(jī)時(shí)，應(yīng)將該大型復(fù)雜狀態(tài)機(jī)分割成幾個(gè)相互
通信的規(guī)模較小的狀態(tài)機(jī)，以便降低狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制邏輯的復(fù)雜度，充分利用ＦＰＧＡ布線
資源的局部化特性，減少布線擁擠現(xiàn)象，縮短布線延遲，提高設(shè)計(jì)速度。
三、面向數(shù)據(jù)通路功能的ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)技術(shù)
ＦＰＧＡ器件相對于傳統(tǒng)ＰＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ器件的一大優(yōu)勢是ＦＰＧＡ器件可
以有效地實(shí)現(xiàn)諸如計(jì)數(shù)器、加法器和比較器等各種數(shù)據(jù)通路功能，獲得非常高的工作速度
。ＦＰＧＡ器件的這個(gè)優(yōu)勢來源于其器件體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即豐富的觸發(fā)器資源、靈活有
效的互連結(jié)構(gòu)和有效地實(shí)現(xiàn)多路選擇器的能力，這些特點(diǎn)使得ＦＰＧＡ器件在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通
路功能時(shí)可以采用操作流水化技術(shù)和減輕輸出負(fù)載的信號重復(fù)設(shè)置技術(shù)，從而大大提高設(shè)
計(jì)的工作速度。
操作流水化是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的有效手段，其原理是將一個(gè)復(fù)雜操作分成幾個(gè)比較簡單
的操作步，每個(gè)操作步的結(jié)果經(jīng)寄存器寄存后再驅(qū)動下一個(gè)操作步的輸入。由于每個(gè)操作
步都比較簡單，故可以工作在較高的時(shí)鐘頻率，而操作流水化的等效結(jié)果是每個(gè)時(shí)鐘周期
出一個(gè)結(jié)果，故整個(gè)設(shè)計(jì)的整體性能也提高了。ＦＰＧＡ提供了操作流水化所需要的觸發(fā)
器資源，且每個(gè)操作步往往可以在一個(gè)邏輯單元列內(nèi)實(shí)現(xiàn)，操作步之間的連接也可以通過
相鄰邏輯單元列之間的超小延遲直接互連資源直接相連，從而獲得很高的工作速度。所以
，一般來說，如果數(shù)據(jù)通路功能的輸入輸出延遲允許的話，都應(yīng)盡可能地采用流水化技術(shù)
，以提高性能，而且對大多數(shù)ＦＰＧＡ而言，操作流水化所需要的觸發(fā)器資源往往不會增
加額外的資源成本，因?yàn)椋�這些觸發(fā)器資源通常已不能再用作其它用途，不這樣用也就浪
費(fèi)了。
超前進(jìn)位技術(shù)是提高計(jì)數(shù)器性能的有效方法，具有豐富觸發(fā)器資源的ＦＰＧＡ可以有
效地實(shí)現(xiàn)超前進(jìn)位技術(shù)。例如，在１６位減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中常用的方法是檢測輸出的全０
狀態(tài)，生成計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)控制信號。而在ＦＰＧＡ中，更有效的方法是檢測輸出的１狀態(tài)，
并將生成的控制信號寄存，使計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)控制信號與計(jì)數(shù)器變?yōu)槿�０操作同步變化，從�?br/>消除了檢測計(jì)數(shù)器輸出條件所需要的組合傳輸延遲，提高計(jì)數(shù)器的工作頻率。預(yù)分頻計(jì)數(shù)
器設(shè)計(jì)中也可采用相同的技術(shù)生成高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能控制信號，以進(jìn)一步提高計(jì)數(shù)的
性能。例如，通過采用上述的超前進(jìn)位技術(shù)和預(yù)分頻技術(shù)，用ＸＣ３１００－３系列ＦＰ
ＧＡ實(shí)現(xiàn)的１６位不可裝入單向計(jì)數(shù)器，其工作速度可達(dá)１０７ＭＨｚ。
重復(fù)設(shè)置相同的電路單元以盡可能地減輕信號負(fù)載和縮短互連延遲，是ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)
中獲取超高性能的另一常用方法，特別對那些不宜采用流水化技術(shù)的電路來說更是如此。
例如，在加法器設(shè)計(jì)中可將加法器分成若干段，每個(gè)段都設(shè)置兩套加法電路，分別生成有
進(jìn)位的加法結(jié)果和無進(jìn)位的加法結(jié)果，然后由進(jìn)位信號選擇正確的結(jié)果，使加法運(yùn)算與進(jìn)
位生成完全并行進(jìn)行。又例如在計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中，高位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能信號的生成和傳播是
影響計(jì)數(shù)器工作頻率的關(guān)鍵因素，可以采用重復(fù)設(shè)置相同電路單元的方法來縮短該延遲時(shí)
間。這種方法的缺點(diǎn)是增加了芯片的資源要求，但對于需要超高性能的用戶來說，畢竟提
供了一條可行的途徑。例如，通過采用預(yù)分頻技術(shù)、超前進(jìn)位生成技術(shù)和信號重復(fù)設(shè)置技
術(shù)，用ＸＣ３１００－３系列ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)的１６位不可裝入單向計(jì)數(shù)器，其工作頻率可
高達(dá)２０４ＭＨｚ，這是其它方法所無法比擬的。上述談到的操作流水化技術(shù)、信號預(yù)譯
碼技術(shù)、預(yù)分頻技術(shù)和信號重復(fù)設(shè)置技術(shù)等概念不僅適合于數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)，也適合隨機(jī)邏
輯設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)高性能ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)的有效手段。
四、時(shí)鐘信號分配技術(shù)
時(shí)鐘信號是ＦＰＧＡ芯片中比較特殊的信號，往往由少數(shù)幾個(gè)專用的驅(qū)動器驅(qū)動和專
用的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)傳播，且往往只能驅(qū)動觸發(fā)器的時(shí)鐘端，其目的是為整個(gè)芯片提供延遲
偏差幾乎可以忽略的時(shí)鐘信號，使用戶不必?fù)?dān)心時(shí)鐘信號負(fù)載問題和信號保持時(shí)間問題，
以提高設(shè)計(jì)工作速度和可靠性。因此，ＦＰＧＡ特別適合于同步電路設(shè)計(jì)，用戶應(yīng)盡可能
采用同步電路設(shè)計(jì)技術(shù)，盡可能減少使用的時(shí)鐘信號種類。例如，ＴＴＬ電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常
采用的由組合邏輯生成多個(gè)時(shí)鐘，然后分別驅(qū)動多個(gè)觸發(fā)器以裝入和保持?jǐn)?shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法
，對ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)是不適用的。因?yàn)檫@樣做會使得時(shí)鐘種類很多，不能利用專用的時(shí)鐘驅(qū)
動器和專用的時(shí)鐘走線資源，時(shí)鐘信號只能由通用的布線資源拼湊而成，各個(gè)負(fù)載點(diǎn)上的
時(shí)鐘延遲偏差很大，會引起數(shù)據(jù)保持時(shí)間問題，降低工作速度。
對ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)而言，更有效的方法是使用同一個(gè)時(shí)鐘信號，而由組合邏輯生成多個(gè)
時(shí)鐘使能信號，分別驅(qū)動觸發(fā)器的時(shí)鐘使能端，所有觸發(fā)器的數(shù)據(jù)裝入都由同一個(gè)時(shí)鐘控
制，但只有時(shí)鐘使能信號有效的觸發(fā)器才會裝入數(shù)據(jù)，時(shí)鐘使能信號無效的觸發(fā)器則保持
數(shù)據(jù)。這種方法充分發(fā)揮了ＦＰＧＡ器件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，是用戶應(yīng)該盡可能使用的設(shè)計(jì)
技巧。
五、如何選擇合適的電路構(gòu)造單元？
為了方便用戶，各個(gè)ＦＰＧＡ廠家的開發(fā)系統(tǒng)都提供了包含數(shù)以百計(jì)個(gè)元件符號（即
電路構(gòu)造單元）的符號庫，其中有些元件符號的功能比較簡單，如簡單門電路、觸發(fā)器等
，有些元件符號的功能則比較復(fù)雜，與ＴＴＬ電路的組件相對應(yīng)；有些元件符號雖然描述
的是相同或相似的功能，但由于輸入變量反相信號個(gè)數(shù)的不同而有多個(gè)版本。一些原來從
事ＴＴＬ電路設(shè)計(jì)的用戶往往習(xí)慣于從ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)元件庫中調(diào)用相同的元件符號，將已
有的ＴＴＬ電路設(shè)計(jì)一一對應(yīng)地轉(zhuǎn)換成ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明，這種方法的實(shí)際效果通
常是很差的，因?yàn)樗鼈兺�往不能充分發(fā)揮ＦＰＧＡ器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。為了獲得比較理想的
結(jié)果，用戶除了要對電路的實(shí)現(xiàn)方法作必要的修改外，還要使用合適的元件符號來描述設(shè)
計(jì)。下面是選擇元件符號的兩個(gè)原則，可供用戶參考：
·盡可能地使用功能與用戶要求最一致的元件符號。例如，如果需要一個(gè)沒有數(shù)據(jù)裝
入功能的４位計(jì)數(shù)器，用戶就應(yīng)該直接調(diào)用元件庫中相應(yīng)的符號，而不應(yīng)調(diào)用功能與７４
１６１等價(jià)的符號，因?yàn)椋疲校牵灵_發(fā)系統(tǒng)往往不允許符號輸入端懸空，當(dāng)使用與７４１
６１等價(jià)的符號時(shí)，用戶必須將相應(yīng)的輸入引腳接到ＶＣＣ或ＧＮＤ信號，從而占用額外
的芯片布線資源，容易引起布線擁擠，影響其它信號的布線效果和整個(gè)設(shè)計(jì)的性能。
·如果輸入信號需要反相，則應(yīng)盡可能地調(diào)用輸入信號帶反相功能的符號，而不是用
分離的反相器對輸入信號進(jìn)行反相。在ＦＰＧＡ中，輸入信號的反相往往可在同一個(gè)邏輯
單元內(nèi)完成而不消耗額外的邏輯資源，因此廠家提供的各種門電路符號隨著輸入變量和輸
入變量反相個(gè)數(shù)的不同而有多個(gè)版本。例如，４個(gè)輸入與門就有ＡＮＤ４、ＡＮＤ３Ｂ１
、ＡＮＤ２Ｂ２、ＡＮＤ１Ｂ３和ＡＮＤ４Ｂ五個(gè)版本，其中ＡＮＤｘＢｙ表示Ｘ個(gè)輸入
不反相和Ｙ個(gè)輸入反相。如果用戶需要實(shí)現(xiàn)Ｙ＝Ａ＊Ｂ＊／Ｃ＊／Ｄ功能，就應(yīng)調(diào)用ＡＮ
Ｄ２Ｂ２，而不是用兩個(gè)分離的非門對Ｃ和Ｄ反相，再連接到ＡＮＤ４的輸入。因?yàn)樵谇?br/>一種做法中，Ｃ和Ｄ的反相操作是不占用資源的，而在后一種做法中，Ｃ和Ｄ的反相操作
與ＡＮＤ４操作可能會被分割到不同的邏輯單元中實(shí)現(xiàn)，從而消耗額外的資源，增加額外
的延遲。如果一個(gè)信號反相反驅(qū)動了多個(gè)負(fù)載，則應(yīng)將該反相功能分散到各個(gè)負(fù)載中實(shí)現(xiàn)
，因?yàn)榧�中反相往往會由于上述所說的原因而消耗更多的資源和增加額外的延遲。
六、內(nèi)部三態(tài)總線設(shè)計(jì)技術(shù)
有的ＦＰＧＡ器件內(nèi)部設(shè)置有三態(tài)驅(qū)動器和相應(yīng)的長線布線資源，可以構(gòu)成內(nèi)部三態(tài)
總線；有的ＦＰＧＡ器件內(nèi)部則沒有三態(tài)驅(qū)動器，不能直接構(gòu)成內(nèi)部三態(tài)總線，三態(tài)總線
只能通過多路器來實(shí)現(xiàn)。用戶在使用不同的ＦＰＧＡ器件時(shí)應(yīng)使用相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。一般
來說，不管用哪一種方式實(shí)現(xiàn)三態(tài)總線，都應(yīng)手工定位三態(tài)驅(qū)動器或多路器在芯片中的確
切位置，否則布線的效果往往是很差的。
Ｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙ問題
Ｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙ問題是指觸發(fā)器的異步數(shù)據(jù)輸入端，在觸發(fā)器時(shí)鐘端發(fā)
生有效變化的數(shù)據(jù)建立時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生變化，從而破壞觸發(fā)器的數(shù)據(jù)建立時(shí)間要求，導(dǎo)致
觸發(fā)器輸出發(fā)生振蕩的現(xiàn)象。一般來說，在ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)中，利用Ｉ／Ｏ塊中的輸入觸發(fā)
器對異步輸入信號進(jìn)行寄 存就基本上可以解決Ｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙ問題，且又
不會增加芯片資源要求。因?yàn)槿绻�不這樣使用的話，該Ｉ／Ｏ塊中的輸入觸發(fā)器往往也就
浪費(fèi)了。如果這樣做后用戶還不放心的話，用戶可使用邏輯塊中的觸發(fā)器對Ｉ／Ｏ塊觸發(fā)
器的輸出信號再次進(jìn)行同步，該方法稱為雙觸發(fā)器同步技術(shù)。
八、ＦＰＧＡ板級設(shè)計(jì)技術(shù)
ＦＰＧＡ芯片的設(shè)計(jì)成功并不意味著大功已告成，它能否按設(shè)計(jì)者所設(shè)想的那樣在系
統(tǒng)中正常工作，還取決于各種外部因素，如供電、工作環(huán)境、傳輸線效應(yīng)等。一般來說，
ＦＰＧＡ的板級設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下一些問題：
·加電：所有ＦＰＧＡ在系統(tǒng)加電期間都要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程才能穩(wěn)定下來，在這個(gè)
過渡過程中，ＦＰＧＡ內(nèi)部觸發(fā)器的狀態(tài)是不確定的。過渡過程的持續(xù)時(shí)間與供電電源的
變化速率有關(guān)。為了保證ＦＰＧＡ可靠地工作，ＶＣＣ上升速度不能太慢，且最好將系統(tǒng)
復(fù)位信號引入到ＦＰＧＡ芯片中，在系統(tǒng)復(fù)位未結(jié)束前將ＦＰＧＡ內(nèi)部觸發(fā)器置于穩(wěn)定的
狀態(tài)。此外，基于ＳＲＡＭ編程工藝的ＦＰＧＡ在供電穩(wěn)定后還要從ＦＰＧＡ芯片外部裝
入構(gòu)造數(shù)據(jù)，在此期間，ＦＰＧＡ的Ｉ／Ｏ引腳用來輸入信號，ＦＰＧＡ尚未正常工作，
設(shè)計(jì)者應(yīng)利用ＦＰＧＡ芯片提供的專用引腳信號，作適當(dāng)?shù)奶幚恚�保證系統(tǒng)其它設(shè)備不會
訪問該ＦＰＧＡ或該ＦＰＧＡ所控制的設(shè)備。
·工作環(huán)境：ＦＰＧＡ對工作環(huán)境有一定的要求，最好工作在廠家推薦的工作環(huán)境中
。此外，ＦＰＧＡ的定時(shí)特性隨電壓和溫度的變化而變化，如果用戶的ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)處于
臨界狀態(tài)，則環(huán)境條件變化時(shí)就可能會工作不正常。為了使ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)在整個(gè)環(huán)境變化
允許范圍內(nèi)可靠地工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)保證在此變化范圍內(nèi)不會破壞芯片間數(shù)據(jù)通信的時(shí)序關(guān)
系。
·地反射（Ｇｒｏｕｎｄ Ｂｏｕｎｃｅ）問題：地反射現(xiàn)象是指多個(gè)輸出信號同時(shí)
變化時(shí)引起的信號干擾，其幅度與同時(shí)變化的輸出引腳數(shù)和輸出引腳所驅(qū)動的電容負(fù)載有
關(guān)。大多數(shù)ＦＰＧＡ器件對同時(shí)變化的輸出引腳數(shù)量有一定的限制，用戶應(yīng)盡可能地遵守
這些約束，如果不能滿足這些約束條件，則應(yīng)將這些輸出引腳分散并靠近ＧＮＤ引腳，盡
量避免過于集中。此外，采用多層印制板和設(shè)置專門的ＶＣＣ／ＧＮＤ布線層，采用ＣＭ
ＯＳ輸入電平和配置足夠的去耦電容，也是減少地反射現(xiàn)象的有效手段。
·傳輸線效應(yīng)：所有的ＰＣＢ走線都帶有分布式的電容和電感，當(dāng)印制線的雙程傳輸
延遲大于輸出信號的上升或下降時(shí)間時(shí)，就必須將該印制線作傳輸線處理，必要時(shí)可采用
串行匹配或并行匹配技術(shù)，對該信號進(jìn)行端接。同時(shí)有的ＦＰＧＡ提供了輸出信號變化速
率控制電路，允許用戶控制輸出引腳信號的變化速率，如果允許，用戶應(yīng)盡可能地將輸出
引腳置于低變化速率方式，以延長信號的上升／下降時(shí)間，增加信號的有效傳輸距離。
·去耦電容：每塊ＦＰＧＡ芯片都應(yīng)配置足夠的去耦電容，視規(guī)模大小不同，每個(gè)Ｆ
ＰＧＡ封裝周邊應(yīng)配置０．１μｆ～０．２μｆ的高頻去耦電容，且去耦電容應(yīng)盡量靠近
ＶＣＣ或ＧＮＤ引腳。
·所有的ＶＣＣ／ＧＮＤ引腳都應(yīng)被連有相應(yīng)的信號，且ＶＣＣ／ＧＮＤ最好使用專
用的布線層；未使用的Ｉ／Ｏ引腳應(yīng)被置于固定的電平上，不能懸空。
九、結(jié)束語
ＦＰＧＡ器件與ＰＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ標(biāo)準(zhǔn)電路在器件結(jié)構(gòu)等方面存在著較大的差
別，為了獲得比較理想的ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)性能，用戶需要針對ＦＰＧＡ體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采
用相適應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，生搬硬套ＰＬＤ和ＳＳＩ／ＭＳＩ標(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)技術(shù)往往會
導(dǎo)致很差的效果。Ｏｎｅ－Ｈｏｔ狀態(tài)碼編程技術(shù)、操作流水化技術(shù)、預(yù)分頻技術(shù)、超前
操作技術(shù)、同步電路設(shè)計(jì)技術(shù)和信號重復(fù)設(shè)置技術(shù)等，是獲得高性能ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)的有效
手段，用戶可在實(shí)踐中靈活運(yùn)用。同時(shí)，這些技術(shù)的應(yīng)用往往需要用戶對邏輯分割和芯片
內(nèi)部布局布線進(jìn)行手工干預(yù)，因此要求用戶詳細(xì)了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熟練使用各種設(shè)計(jì)
工具。總之，會使用設(shè)計(jì)工具完成一個(gè)ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)是一件容易的事情，但要獲取比較理
想的結(jié)果就不那么輕松了，需要多付出一點(diǎn)努力。