门控时钟与使能时钟
FPGA_ASIC-基于同步原则的FPGA-CPU设计
基于同步原则的FPGA-CPU设计苏晓东，杨英华（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110004）摘要：FPGA是一种可完成复杂逻辑功能的通用可编程器件，因其丰富的触发器资源、可重配置能力及低开发风险而广受欢迎。
该文以Altera 公司的Cyclone FPGA为目标器件，通过对原有CPU模型进行改进，讨论数字系统设计中的常见问题与满足同步原则的解决方案。
关键词：CPU；FPGA；数字系统；同步原则中图分类号：TN402 文献标识码：AAn FPGA-CPU Design Based o n Synchronous PrincipleSu Xiaodong, Yang Yinghua(College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004) Abstract: FPGAs are generic, programmable digital devices that can perform complex logical operations. FPGAs are widely used because of their rich trigger resources, configurable abilities and low development risk, making them increasingly popular. This paper presents some frequently confronted problems and the essentiality of synchronous design in digital systems based on an existed FPGA-CPU design.Keywords: CPU; FPGA; Digital Systems; Synchronous Principle0 引言随着电子工业和超大规模集成电路（VLSI）技术的高速发展, 要求专用集成电路(ASIC) 的功能越来越强, 功耗越来越低, 生产周期越来越短, 这些都对芯片设计提出了巨大的挑战, 传统的芯片设计方法已经不能适应复杂的应用需求了[1]。
多级门控时钟网络设计优化探究
多级门控时钟网络设计优化探究摘要：近年来，我国信息技术和经济水平不断发展，计算机技术、移动通讯技术、多媒体技术及半导体技术等取得了飞快进步，集成电路产业在此背景下得到了迅猛发展。
在实际运行过程中，对芯片集成度及其工作效率的要求不断提升，导致门控时钟的不确定性与复杂性特征逐渐显现，加快多级门控时钟网络优化的步伐成为集成电路产业未来的发展方向。
本文就针对门控时钟网络优化常用时钟树类型展开分析，深入探究多级门控时钟网络设计优化策略，希望对相关部门开展工作有所参考。
关键词：门控时钟；网络设计；优化前言：时钟树的主要作用是降低时钟偏差，提高时钟信号同步传输到每一触发器的效率和质量。
随着集成电路制造工艺的不断缩小，时钟网络的传播延时特征逐渐增大，加强多级门控时钟网络设计优化进程，采用时钟网络公共路径比重大的混合树进行时钟树综合，可在其中增加有效的时序检查，还能确保功能的正确性，从而提高信号的逻辑深度，提升运行效率和质量。
1.门控时钟网络优化常用时钟树类型1.1树型时钟树树型时钟树顾名思义就是类似于一棵树的时钟树，不存在拓扑回路，以时钟根节点作为树根，以寄存器、存储器等时序单元作为叶节点，而拓扑结构表示树干，具体包括平衡树、H树及X树。
平衡树的结构较为简单，所占的布线布局所用资源较少，且实现方便，是目前使用较为广泛的时钟树；H树属于一种高度对称的时钟树，时钟根节点到叶节点的距离和级数相同，时钟延时也相同，但实际实施过程中，常因为各种因素难以做到完全对称，如布线拥塞、设计硬宏、布线阻挡层等，从而增加时钟偏差无法控制的可能性；X树属于H树的变型，主要采用非曼哈顿线的方式，使用诸多非90°的互连线达到降低公共路径比重的目的。
1.2网状时钟树网状时钟树的主要特点是拓扑结构存在回路或者并行驱动，将时钟信号由单一的阶段扩散遍布到整个时钟区域网络内，以鱼骨型、网格型、多脊柱型较为常见。
鱼骨型时钟树由于拓扑结构类似鱼的骨架而得名，主要从时钟根节点出发，经过多级并行预驱动的结构驱动主干，适用于矩形的模块或者芯片；网格型时钟树可以说是鱼骨型时钟树的延伸，主要用多种的横向和纵向走线来代替鱼骨型单条的主干或者多条分支，并将其覆盖到整个叶节点分布区域，使叶节点获得充足的驱动能力；多脊柱型时钟树可对设计硬宏、布局布线阻挡层等导致叶节点分布不均的情况进行针对性解决，通过对其进行优化调整，使网格能够覆盖整个时钟叶节点[1]。
关于FPGA设计中多时钟域和异步信号处理有关的问题
有一个有趣的现象，众多数字设计特别是与FPGA设计相关的教科书都特别强调整个设计最好采用唯一的时钟域。
换句话说，只有一个独立的网络可以驱动一个设计中所有触发器的时钟端口。
虽然这样可以简化时序分析以及减少很多与多时钟域有关的问题，但是由于FPGA外各种系统限制，只使用一个时钟常常又不现实。
FPGA时常需要在两个不同时钟频率系统之间交换数据，在系统之间通过多I/O接口接收和发送数据，处理异步信号，以及为带门控时钟的低功耗ASIC进行原型验证。
本章讨论一下在FPGA设计中多时钟域和异步信号处理有关的问题和解决方案，并提供实践指导。
这里以及后面章节提到的时钟域，是指一组逻辑，这组逻辑中的所有同步单元（触发器、同步RAM块以及流水乘法器等）都使用同一个网络作为时钟。
假如设计中所有的触发器都使用一个全局网络，比如FPGA的主时钟输入，那么我们说这个设计只有一个时钟域。
假如设计有两个输入时钟，如图1所示，一个时钟给接口1使用，另一给接口2使用，那么我们说这个设计中有两个时钟域。
图1：双时钟域设计平时我们在设计中遇到的门控时钟、衍生时钟以及事件驱动的触发器都可归为时钟域类别。
如图2所示，通过一个简单门控时钟创建了一个新的时钟域。
我们知道，这类时钟控制在FPGA设计中并不被推崇（可以使用时钟使能替代时钟门控），然而它却非常有利于我们理解时钟域这一概念。
本章我们将着重详细讨论以下主题：•两个不同时钟域之间传输信号。
•亚稳态的产生以及对设计的可靠性的影响•通过相位控制避免亚稳态•在时钟域之间传输单个信号，将信号打两拍•使用FIFO在时钟域之间传输多位数据•使用分区同步器模块提高设计的组织架构•处理ASIC验证原型里的门控时钟•建立一个单时钟模块•自动门控移除图2：通过门控时钟创建的时钟域一、跨时钟域设计中包含多时钟域，首先要解决的是在不同时钟域之间传输信号的问题。
信号跨时钟域传输将会是一个大问题，原因如下：1、信号跨时钟域传输产生的故障总是不太容易复现。
fpga 门控时钟 功耗
fpga 门控时钟功耗FPGA（可编程逻辑门阵列）是一种灵活的集成电路芯片，其门控时钟和功耗是在设计和应用FPGA时需要考虑的重要因素。
下面将介绍FPGA的门控时钟和功耗的相关概念和影响因素：1.门控时钟：FPGA中的门控时钟（Clock Gating）技术是一种用来减小功耗的技术。
它基于时钟信号，通过控制特定部分的电路时钟使能信号，实现对电路的部分停止或冻结。
通过精确控制时钟信号的分配，可以降低那些不需要运行或处于空闲状态的部分的功耗。
2.功耗：FPGA的功耗是指FPGA芯片在工作中消耗的电能。
FPGA的功耗由多个因素决定，包括运行的电路逻辑、时钟频率、输入输出功耗、时钟和数据冲突等。
功耗的高低直接影响到芯片的工作稳定性、散热需求和电池寿命等。
影响FPGA功耗的因素包括：•逻辑电路：芯片中运行的逻辑电路数量和复杂度直接影响功耗。
•时钟频率：时钟频率越高，功耗也越高。
高时钟频率可能需要更多的功率来驱动逻辑和开关电容。
•输入输出功耗：与外部设备的通信和I/O电路相关的功耗。
•激活逻辑：即芯片中具体逻辑的使用情况，未使用或未激活的逻辑不会消耗功耗。
•工艺制程：不同的工艺制程也会影响功耗，先进的工艺通常具有更低的功耗。
减小FPGA的功耗可以通过以下策略实施：•优化逻辑设计：减少逻辑元件的数量和复杂度，精简逻辑电路。
•优化时钟频率：选择适当的时钟频率，以平衡性能和功耗。
•使用门控时钟技术：通过控制部分电路的时钟使能信号，降低空闲电路的功耗。
•合理布局和布线：减少布线的长度和电容负载，优化功耗表现。
在设计和实现FPGA时，需要综合考虑门控时钟和功耗，根据实际需求进行优化和权衡。
同时，对于特定的应用场景，还可以选择适合的低功耗模式、电源管理和时钟路由等技术，以进一步减小FPGA的功耗。
关于latch的门控时钟综合
关于latch的门控时钟关于一般的门控时钟结构，首先来看看为什么要有门控时钟Clock tree consume more than 50 % of dynamic power. The components of this power are:1) Power consumed by combinatorial logic whose values are changing on each clock edge2) Power consumed by flip-flops and3) The power consumed by the clock buffer tree in the design.通常用的门控时钟有两种1）latch-free clock gating第一种门控时钟就是简单的一个使能信号通过一个and gate与时钟与起来，这种做法的弊端就是容易有这种组合逻辑的方式出去的时钟出现毛刺等讨厌的情况，但如果要求不高的话这也不失为一种方法。
如果输出的gated_clk是用来上升沿采数的话就可以让一个active low的en信号通过一个或门与clk或起来，这样输出的信号应该不会出现上图所示的那种让时钟的占空比变小情况；反过来，如果输出的gated_clk在后面是用来下降沿采数的话就可以让一个active high的en信号通过一个与门与clk与起来，这样输出的时钟应该也不会有让占空比变大的情况发生，基本能满足采样的要求。
用and gate的波形收到毛刺影响可能下图这样的但是或门的逻辑就不会这样，如下图，但是毛刺还是会有影响2）latch-based clock gatinglatch的这种gating的结构比较特殊，如图这个东西还是基于synopsys的自己的gating clock的逻辑处理出现的一种方式这个同学的仿真波形图是这样的（只注意en clk q 和gclk）latch这里为低有效，即latch 的en端（即clk）为低的时候，latch的q端是可以变化的，但是高的时候就会被latch 住。
门控时钟与多时钟电路的时序约束
门控时钟与多时钟电路的时序约束问题1:假设clk1分频⽣成clk2,clk2分频⽣成clk3,那么在定义generated clock的时候是否应该把clk3的源时钟定义成clk1??A:两者都可以,把clk3的源时钟定义成clk2⽐较安全,可以被更多的⼯具接受问题2:对于下⾯的这种形式的时钟逻辑,clk1和clk2的时钟定义能否穿透中间的逻辑到达clk3呢?assign a = (sel1)?clk1:clk2;assign clk3 = (sel2)?a:~a;A: 可以穿透。
对于clk3建议在这⾥例化单元来实现，然后把clk3定义在单元的pin上。
问题3:为了关断模块时钟clk,加⼊了⼀个使能信号clk_en,那么在代码书写时是否可以直接写成clk_out=clk&clk_en,然后让DC⾃⼰去⽣成门控逻辑,还是应该例化库中的门控单元来实现呢?如果例化门控单元来实现,那么clk的时钟定义能否穿透这个门控的单元呢?A: 1.建议例化库中的门控单元来实现，最好⽤集成and+latch的门控单元，这种门控单元可以去除⽑刺。
2.时钟定义能穿透门控单元的。
问题4:如果问题3采⽤门控单元来实现，那么对这个单元有特殊的约束要求没有呢?A:如果⽤集成and+latch的门控单元，不需要额外的约束。
只需set_dont_touch问题5:设计内部有多个时钟,这些时钟都是由⼀个时钟通过不同的分频⽽得到的,但是在插⼊门控过后,对那些门控后的时钟引⼊了额外的skew和latency,⼯具会⾃动对相关参数进⾏处理吗？会保持他们之间的同步的关系来确保不同时钟域之间的数据交换么?A: 后端⼯具有办法处理带门控单元的时钟树的。
问题6:对于由模块内部⽣成的⽤于其他模块的异步复位信号,需要关注哪些问题?这两个模块的时钟是同步时钟,只是⼀快⼀慢⽽已. A:如果你可以保证在异步复位信号有效时没有时钟边沿的话，就set_false_path -from reset; 如果不能保证的话,就按照⼀般的信号处理,让⼯具去收敛时序问题7:假设⼀段较长的流⽔线逻辑都是多周期路径,是否有简单的⽅法可以只约束⼀次,⽽不⽤去对每⼀个寄存器之间的路径都去约束,以声明其为多周期路径?A:试着⽤*号去做问题8:综合时设置input/output delay时⽤到了虚拟时钟,那么在提供给版图的sdc⽂件中，这个虚拟时钟是否应该继续存在呢?A:虚拟时钟始终要存在sdc⽂件中，因为做post-layout的STA时也需要的。
原型验证过程中的ASIC到FPGA的代码转换
高性能嵌入式 ＣＰＵ 开发 项目 为了在 流片之前确保功能的可靠性 对３２位全 定制高性能嵌入式 ＣＰＵ ｂｃ３２０ 进行了 原型验证
设计采用 Ｍｅｍｅｃ Ｄｅｓｉｇｎ 公司的 ＦＦ１１５２ 开发板 该板使用了 Ｘｉｌｉｎｘ 的 Ｖ ｉ ｒ ｔ ｅ ｘ － Ｐ ｒ ｏ 系列芯片中的 ＸＣ２ＶＰ３０ 该 ＦＰＧＡ 拥有 ３０ ８１６ 个逻 辑单元 相当于有 ３０ 多万的 ＡＳＣＩ 门 另有 ２Ｍｂ 的片上 Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭ ６４４ 个 Ｉ／Ｏ 口 采用了 Ｘｉｌｉｎｘ 的全自动 完整 的集成设计环境 ＩＳＥ ７．１ｉ 进行 ＦＰＧＡ 综合使用的工具是Ｓｙｎｐｌｉｆｙ Ｐｒｏ
图 １ 增加流水 （４）同步设计 在 ＦＰＧＡ 设计中 同步设计是应该
遵循的重要原则 异步设计容易导致电 路处于亚稳态 产生毛刺 当从 ＡＳＩＣ 设 计转向 ＦＰＧＡ 设计时 应该进行仔细的 同步 具体体现在主时钟选取 功能模 块的统一复位 同步时序电路设计
在 ＦＰＧＡ 设计中要使用时钟使能代 替门控时钟 在 ＡＳＩＣ 的设计中 为了 减少功耗 使用门控时钟（ ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ ｇａｔｉｎｇ） 门控时钟的结构如图 ２ 所示 当写有效时 数据才写进存储器 那么 只有写有效时 寄存器才会发生翻转 这样可以减少功耗
动的验证 以及广泛应用的基于现场可 证却是一个过程 由于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 与 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ 时间 并且资源消耗多 性能不好 而
编程器件（ Ｆ Ｐ Ｇ Ａ ） 的原型验证技术
在结构 性能上各不相同 ＡＳＩＣ 是基于 ＦＰＧＡ 厂商其实已经提供了经过验证并
采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 原型技术验证 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ 设 标准单元库 ＦＰＧＡ 用的是厂商提供的 优化的存储单元 因此存储单元要进行
门控时钟-理论分析----转载
门控时钟-理论分析----转载门控的基本要求：1. 所需要的沿（对于正沿触发的寄存器是正沿，对于负沿触发的寄存器是负沿）不增加，不减少；1. 不会产⽣⽑刺；1. 使⽤后功耗要能够降低；1. 最好⾯积还会减⼩。
1. 上升沿触发的门控时钟的结构研究：应⽤与上升沿触发的寄存器的门控。
1. 直接与门结构：1. ⾼电平使能Latch + 与门结构：1. 低电平使能Latch + 与门结构：1. 波形研究：从下⾯的波形可以看出：1. 如果En信号的上升沿在时钟的上升沿和下降沿之间的话，则结构1与结构2都会多产⽣⼀个时钟沿；见波形中的Error。
1. 如果En的下降沿在时钟的下降沿和上升沿之间，则很容易产⽣⼀个⽑刺；1. 结构3是符合我们需要的，上升沿没有丢失或减少。
所以DC在正沿触发的寄存器前插⼊的都是这类CG；1. 下降沿触发的门控时钟的结构研究：应⽤与下降沿触发的寄存器的门控。
1. 或门结构：1. 低电平使能Latch + 与门结构：1. ⾼电平使能Latch + 与门结构：1. 波形研究：从下⾯的波形可以看出：1. 如果En信号的上升沿在时钟的下降沿和上升沿之间的话，则结构1与结构2都会多产⽣⼀个时钟沿；见波形中的Error。
1. 如果En的上升沿在时钟的上升沿和下降沿之间，则很容易产⽣⼀个⽑刺；1. 结构3是符合我们需要的，下降沿没有丢失或减少。
所以DC在负沿触发的寄存器前插⼊的都是这类CG；1. 特殊情况分析：1. 如果En信号的上升沿和下降沿都能保证在时钟的低电平区域，则与门结构可以作为门控来使⽤：分析：1. 如果En是ClkSrc时钟域的寄存器负沿触发输出的信号，或者产⽣En的信号都是ClkSrc时钟域负沿触发产⽣的信号；则通过合适的约束，可以做到En的沿都在时钟的低电平区域。
1. 如果从功能上可以确认，En的沿都在时钟的低电平区域，则也可⾏。
1. 这种结构不管是对上升沿触发的寄存器或者对下降沿触发的寄存器都是有效的。
fpga内部时钟门控单元
fpga内部时钟门控单元英文回答：Clock gating is a technique used in FPGA design to reduce power consumption by selectively stopping the clock signal to certain parts of the circuit when they are not in use. This is achieved by using clock gating cells, which are special logic gates that control the clock signal to specific parts of the design.For example, let's say I have a circuit that includes a counter and a comparator. The counter increments every clock cycle, while the comparator only needs to be active when the counter reaches a certain value. By using a clock gating cell, I can disable the clock signal to the comparator when it is not needed, saving power in the process.Clock gating cells are typically implemented usingflip-flops and AND gates. The flip-flop stores the enablesignal, while the AND gate controls the clock signal based on the enable signal. When the enable signal is high, the clock signal passes through the AND gate to the flip-flop, allowing the circuit to operate normally. When the enable signal is low, the clock signal is blocked, effectively stopping the circuit.In FPGA design, it is important to carefully consider where to place clock gating cells to maximize power savings without compromising performance. Over-gating can lead to timing issues, while under-gating may not providesignificant power savings. It's a delicate balance that requires thorough testing and optimization.中文回答：时钟门控是一种在FPGA设计中使用的技术，通过在某些部分不使用时选择性地停止时钟信号来减少功耗。
CAN FD控制器中可变速率的实现
CAN FD控制器中可变速率的实现龙雅文1，2，谢亮1，2，金湘亮1，31.湘潭大学物理与光电工程学院；2.微光电与系统集成湖南省工程实验室；3.湖南师范大学物理与电子科学学院摘要：传统的CAN总线受环路延迟的影响，传输速率无法突破1Mbps。
本文根据CAN FD协议标准与国际标准ISO11898，采用硬件描述语言verilog设计，实现了CAN FD控制器的可变速率功能。
控制器采用状态机实现对数据帧的接收，采用改变组成bit位中最小时间单元t q的周期长度实现速率切换，并在数据帧的data域应用二次采样机制解决发送节点的数据采样问题。
另外整个设计中采用门控时钟技术、资源共享以及行波计数器来降低了设计的功耗。
关键字：CAN FD控制器；可变速率；Verilog；低功耗设计Realization of variable rate in CAN FD controllerLONG Ya-wen,XIE Liang,JIN Xiang-liang1.School of Physics and Optoelectronics,Xiangtan University;2.Microelectronics and System Integration Hunan Engineering Laboratory;3.School of Physics and Electronics,Hunan Normal UniversityAbstract:Due to the influence of loop delay,the transmission rate of traditional CAN bus can not exceed1Mbps.Ac-cording to CAN FD standard protocol and international standard ISO11898,the variable rate function of CAN FD controller is realized by using Hardware Description Language Verilog.The CAN FD controller uses the state machine to receive the data frame,the period length of the minimum time unit t q in the bit is changed to realize the rate switch-ing,and the second sampling point is used in the data domain of the data frame to solve the data sampling problem ofthe sending node.In addition,clock gating technology,resource sharing and traveling wave counter are used to reduce the power consumption.Keywords:CAN FD controller;Variable rate;Verilog;Low power design引言图1为CAN 总线拓扑图。
ASIC低功耗设计
三、低功耗技术1. 功耗分析〔1〕由于电容的充放电引起的动态功耗Vlv out图〔20〕充放电转换图如图〔20〕所示：PMOS 管向电容L C 充电时，电容的电压从0上升到DD V ,而这些能量来自于电源。
一局部能量消耗在PMOS 管上，而剩余的那么保存在电容里。
从高电压向低转换的过程中，电容放电，电容中储存的能量消耗在NMOS 管上。
我们来推导一下：考虑从低电压转换到高电压的情况，NMOS 和PMOS 不同时导通。
在转换过程中电源提供的能量为C E ,而是转换后储存在电容里的能量。
⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out DD L out L DD VDD VDD V C dv V C dt dt dv C V dt t i E 0002)( ⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out out L out out L out VDD C V C dv v C dt v dt dv C dt v t i E 02002)( 这两个等式说明电源提供的能量只有一半储存在电容里。
另一半被PMOS 管消耗掉了。
为了计算总体能量消耗，我们不得不考虑器件的翻转。
如果门每秒钟翻转10−→−f 次，那么102−→−=f V C P DD L dyn 10−→−f 表示能量消耗的翻转频率。
随着数字电路集成度的提高，能量问题将成为人们关注的焦点。
从以上分析看出，dyn P 跟电源电压的平方成正比，因此降低供电电压对降低功耗有非常显著的意义。
但是，降低供电电压对电路性能有一定的影响，这时我们可以考虑减小有效电容和减少翻转率。
电容主要是由于晶体管的门和扩散电容引起的，因此降低由于电容的充放电引起的动态功耗方法之一是将晶体管设计得尽可能小，这种方法同样对提高电路的性能有很大的帮助。
〔2〕短路电流引起的功耗在实际电路中，输入波形上升和下降时间为零是不可能的。
在翻转过程中，当NMOS 管和PMOS 管同时导通的时候，有限的输入信号斜率使得在瞬间产生从DD V 到GND 之间直流通路。
ASIC设计转FPGA时需要注意的几点
ASIC设计转FPGA时需要注意的几点FPGA原型验证和其他验证方法是不同的,任何一种其他验证方法都是ASIC验证中的一个环节,而FPGA验证却是一个过程。
由于FPGA与ASIC在结构、性能上各不相同,ASIC 是基于标准单元库,FPGA用的是厂商提供的宏单元模块,因此首先要进行寄存器传输级(RTL)代码的修改。
然后进行FPGA器件映射,映射工具根据设置的约束条件对RTL代码进行逻辑优化,并针对选定的FPGA器件的基本单元映射生成网表。
接着进行布局布线,生成配置文件和时序报告等信息。
当时序能满足约束条件时,就可以利用配置文件进行下载。
如果时序不能满足约束,可通过软件报告时序文件来确认关键路径,进行时序优化。
可以通过修改约束条件,或者修改RTL代码来满足要求。
需要转换的代码存储单元存储单元是必须进行代码转换的,ASIC中的存储单元通常用代工厂所提供的Memory Compiler来定制,它可以生成.gsp、.v等文件。
.v文件只用来做功能仿真,通常不能综合。
而最后流片时,只需将标准提供给代工厂。
如果直接将ASIC 代码中的存储单元作为FPGA的输入,通常综合器是综合不出来的,即使能综合出来,也要花费很长时间,并且资源消耗多、性能不好。
而FPGA厂商其实已经提供了经过验证并优化的存储单元。
因此存储单元要进行代码转换。
时钟单元数字电路中,时钟是整个电路最重要、最特殊的信号。
在ASIC中,用布局布线工具来放置时钟树,利用代工厂提供的PLL进行时钟设计。
FPGA中通常已经配置一定数量的PLL 宏单元,并有针对时钟优化的全局时钟网络,一般是经过FPGA的特定全局时钟管脚进入FPGA内部,后经过全局时钟BUF适配到全局时钟网络的,这样的时钟网络可以保证相同的时钟沿到达芯片内部每一个触发器的延迟时间差异是可以忽略不计的。
因此时钟单元也是需要进行转换的。
增加流水由于实现结构上的不同,FPGA器件内部的单元延时远大于ASIC的基本门单元延时。
verilog模块级时钟门控写法
文章标题：探讨Verilog模块级时钟门控写法的深度与广度在数字电路设计中，Verilog语言是一种常用的硬件描述语言，它能够有效地描述电路的结构与功能。
其中，模块级时钟门控写法作为其中的重要内容之一，对于数字电路设计来说具有重要的意义。
本文将深入探讨Verilog模块级时钟门控写法，通过分析和共享个人观点与理解，帮助读者更深入地理解这一主题。
1. 理解Verilog模块级时钟门控写法在数字电路设计中，模块级时钟门控写法是一种重要的设计技巧，它能够有效地控制时钟信号的传输和使用。
通过对Verilog语言的灵活运用，能够实现对时钟门控的精确控制，从而提高电路的性能和稳定性。
2. 实现Verilog模块级时钟门控的方法在Verilog语言中，实现模块级时钟门控可以通过一些常用的方法，例如使用时钟使能信号、时钟门控信号等。
通过在代码中灵活使用这些变量和控制逻辑，能够实现对时钟的精准控制，从而提高电路的性能和灵活性。
3. 核心思想与技术难点在实际应用中，Verilog模块级时钟门控写法的核心思想在于通过对时钟信号进行精准控制，从而实现对电路功能的精确调控。
技术难点则在于如何有效地设计和编写代码，以及如何在实际电路中稳定地运行。
4. 个人观点与理解在我看来，Verilog模块级时钟门控写法是一种非常重要且实用的设计技巧，它能够为数字电路设计带来很大的便利和灵活性。
通过对时钟信号的精准控制，能够实现对电路功能的精确调控，从而提高电路的性能和稳定性。
5. 总结与回顾Verilog模块级时钟门控写法是数字电路设计中重要的内容之一，通过深入探讨和灵活运用，能够为电路设计带来很大的便利和灵活性。
在实际应用中，我们需要不断地学习和实践，才能够更好地掌握这一重要技术。
通过以上对Verilog模块级时钟门控写法的深度与广度探讨，希望能够对读者有所启发和帮助。
在数字电路设计中，Verilog模块级时钟门控写法确实具有重要的意义，在实际应用中我们需要不断地学习和探索，才能够更好地运用这一重要技术。
异步设计中常见问题及其解决方法-续
5
异步设计中常见问题及其解决方法－续
1、门控时钟
DQ
input
组合逻辑
clk
门控时钟是非常危险的，极易产生毛刺，使逻辑误动作。 在可编程 逻辑器件中，一般使用触发图器4.1的9 时钟使能端，而这样，并不增加资
源，只要保证建立时间，可使毛刺不起作用。 改进后电路：
DQ
input
组合逻辑
ENA
clk
©Dragon WH team
图4.20 6
异步设计中常见问题及其解决方法－续
2、组合逻辑产生时钟 在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时
变化，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为“毛
刺”。组合逻辑的时钟如果产生毛刺，易使触发器误翻转。
输 入
..
组合 逻辑
采用同步清0的办法，不仅可以有效地消除毛刺，而且能避免计数器 误清0。电路如下图所示。
©Dragon WH team
8
异步设计中常见问题及其解决方法－续
+1
Q[5：0]
"000000"
DQ
=52
6位
二进制
clk
计数器
图4.7
规则的计数器
©Dragon WH team
9
异步设计中常见问题及其解决方法－续
©Dragon WH team
3
时序分析基础－续
如果我们采用的是严格的同步设计电路，即一个设计只有一个 CLK，并且来自时钟PAD或时钟BUFF（全局时钟），则△T对电 路的影响很小，几乎为0；如果采用的是异步电路，设计中时钟满 天飞，无法保证每一个时钟都来自强大的驱动BUFF（非全局时钟 ），如下图所示，则△T影响较大，有时甚至超过人们想象。这就 是为什么我们建议采用同步电路进行设计的重要原因之一。
LATTICE 非常详细的时序约束(中文教程)
©LATTICE SEMICONDUCTOR CORPORATIONPage 1Achieving Timing ClosureJohn LiAgenda•Timing closure的概念•Timing closure的步骤•采用合适的Coding Style •进行适当的综合约束•管脚锁定•实施Lattice constrains •Map•布局布线•控制place and route •Floorplanning the design©LATTICE SEMICONDUCTOR CORPORATIONPage 2Timing closure的概念•当前FPGA的设计规模越来越大，复杂程度日益增加，同时要求系统的Perfromace也越来越高。
•获得Timing目标越来越困难.•设计者必须采用各种技术提升系统性能以满足设计的Timing要求.©LATTICE SEMICONDUCTOR CORPORATIONPage 3Timing closure procedure• 1.采用合适的coding style • 2.进行适当的综合约束• 3.管脚锁定• 4.实施Lattice constrains • 5.Map• 5.布局布线•7.控制place and route •8.Floorplanning the design©LATTICE SEMICONDUCTOR CORPORATIONPage 4关于提升FPGA系统性能，工程师最容易想到的方法就是通过进行综合约束、布局布线约束、和其他的优化技术提升系统性能，当然这些都是设计过程中所必需的，但所有这些优化方法对于系统性能的提升都是有限的，系统的性能最终还是取决于工程师的设计（coding style），其中同步设计是最重要的一点. 下面讨论一些具体的coding 技术，合理的运用这些coding技术能够尽可能的减小两级寄存器之间的延时从而获得更高的系统速度.-通用的coding style--Hierarchical Coding---Team Based的设计：多个工程师可以同时参与到一个复杂设计中来。
Lattice 时序约束
Lattice 时序约束一．采用细致的hierarchy设计1.top level模块仅仅应该包含instantiation statement ，即在顶层模块中调用子模块。
2.任何I/O instantiation 应当包含在top level模块中。
3.任何输入输出器件的信号应当在top level模块中声明为：input、output和bi-directional Pin.二．Design partitioning1.在sub module中register所有输出，以保证所有sub module之间为同步设计，获得更好的系统performance。
2.保证相关逻辑和共享资源在同一个模块中实现。
这样可以做到更好的资源共享，综合工具只能针对一定数量的逻辑进行优化；综合工具可以在一个模块内部优化整个关键路径；跨模块的关键路径也不会被有效的优化。
3.针对不同地优化目标来划分模块:----分离关键路径和非关键路径可以获得更好的综合效果。
----设计者应该在充分考虑性能需求和资源需求的基础上进行逻辑设计. 针对不同的模块采用不同的优化策略，以避免相互影响。
---对于那些并不需要high performance的模块应该放松约束以节省和预留关键资源给关键路径。
4.在单独的模块中保存实例化代码：可以非常方便的在RAM行为仿真模型和实际的RAM块代码之际间进行切换.5. 每个Module的规模在30~80 PFU：小模块由于资源有限不利于综合工具实施“resource sharing”算法；规模太大的模块一旦更改其中的一小部分就会导致整个模块重新综合，影响到一些不必要的逻辑，增大综合运行时间。
三．Design registering1. 利用流水设计提高系统性能，把一个较长的路径分割为多个短路径，并在多个时钟周期完成。
2. IF statement and CASE statement比较----IF-THEN-ELSE statement 生成优先级的编码逻辑;CASE statement 实现balance逻辑.----如果每个解码条件相对独立, 这两种声明方式实现的功能是一样的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设计中的门控时钟和使能时钟
使能时钟
Verilog示例代码：
module clock(wr_n,cs_n,db,db_r);
input clk; //50MHz时钟信号
input wr_n; //写使能信号，低有效
input cs_n; //片选信号，低有效
input[7:0] db; //数据总线
output db_r;
reg db_r; //输入数据寄存器
wire en; //使能信号
assign en = ~wr_n && ~cs_n;
always @ (posedge clk) //全局时钟上升沿
if(en) //使能锁存输入
db_r <= db; //锁存输入数据
endmodule
使能时钟这要是用于时序逻辑中，比门控时钟要来的稳定。
门控时钟
Verilog示例代码：
module gateclock(clk,wr_n,cs_n,db,db_r);
input wr_n; //写使能信号，低有效
input cs_n; //片选信号，低有效
input[7:0] db; //输入数据总线
output db_r; //锁存输出
reg db_r; //输入数据寄存器
wire d_clk; //门控时钟信号
assign d_clk = wr_n || cs_n;
always @ (posedge d_clk) //门控时钟上升沿
db_r <= db; //锁存输入数据
endmodule
组合逻辑中多用门控时钟，一般驱动门控时钟的逻辑都是只包含一个与门（或门）。
如果有其它的附加逻辑，容易因竞争产生不希望的毛刺。
上面只是一个举例，实际上它们实现的功能上还是有一点差别的。
门控时钟一例中是能够比较准确的在wr_n的上升沿锁存数据的。
而使能时钟一例中在wr_n 有效期间的每个时钟周期都会锁存输入数据，最后写入结束后锁存寄存器里的数据是wr_n上升前的0-T(T=1/clk)时间内锁存的数据。
因为是个例子，也就不详细说，具体情况具体分析。