1.什麼(me)是(shì)同(tóng)步邏輯和(hé)异(yì)步邏輯？
同(tóng)步时(shí)序邏輯電(diàn)路(lù)的(de)特(tè)點(diǎn)：各(gè)觸發(fà)器的(de)时(shí)鐘(zhōng)端全(quán)部(bù)連(lián)接在(zài)一(yī)起，并接在(zài)系(xì)統 时(shí)鐘(zhōng)端，只(zhī)有(yǒu)當时(shí)鐘(zhōng)脈沖到(dào)来(lái)时(shí)，電(diàn)路(lù)的(de)狀态才能(néng)改變(biàn)。改變(biàn)後(hòu)的(de)狀态将一(yī)直(zhí)保持(chí)到(dào)下(xià) 一(yī)个(gè)时(shí)鐘(zhōng)脈沖的(de)到(dào)来(lái)，此(cǐ)时(shí)无論外(wài)部(bù)輸入(rù) x 有(yǒu)无變(biàn)化(huà)，狀态表(biǎo)中(zhōng)的(de)每个(gè)狀态都是(shì)稳定(dìng) 的(de)。异(yì)步时(shí)序邏輯電(diàn)路(lù)的(de)特(tè)點(diǎn)：電(diàn)路(lù)中(zhōng)除可(kě)以(yǐ)使用(yòng)带(dài)时(shí)鐘(zhōng)的(de)觸發(fà)器外(wài)，還(huán)可(kě)以(yǐ)使用(yòng)不(bù)带(dài) 时(shí)鐘(zhōng)的(de)觸發(fà)器和(hé)延遲元(yuán)件(jiàn)作为(wèi)存儲元(yuán)件(jiàn)，電(diàn)路(lù)中(zhōng)沒(méi)有(yǒu)統一(yī)的(de)时(shí)鐘(zhōng)，電(diàn)路(lù)狀态的(de)改變(biàn)由(yóu)外(wài) 部(bù)輸入(rù)的(de)變(biàn)化(huà)直(zhí)接引起。同(tóng)步邏輯是(shì)时(shí)鐘(zhōng)之間(jiān)有(yǒu)固定(dìng)的(de)因(yīn)果(guǒ)關(guān)系(xì)。异(yì)步邏輯是(shì)各(gè)时(shí)鐘(zhōng)之間(jiān)沒(méi)有(yǒu)固定(dìng)的(de)因(yīn)果(guǒ)關(guān)系(xì)。
2.同(tóng)步電(diàn)路(lù)和(hé)异(yì)步電(diàn)路(lù)的(de)區(qū)别：
同(tóng)步電(diàn)路(lù)：存儲電(diàn)路(lù)中(zhōng)所(suǒ)有(yǒu)觸發(fà)器的(de)时(shí)鐘(zhōng)輸入(rù)端都接同(tóng)一(yī)个(gè)时(shí)鐘(zhōng)脈沖源，因(yīn)而(ér)所(suǒ)有(yǒu)觸發(fà)器的(de)狀态的(de)變(biàn)化(huà)都與(yǔ)所(suǒ)加的(de)时(shí)鐘(zhōng)脈沖信(xìn)号(hào)同(tóng)步。异(yì)步電(diàn)路(lù)：電(diàn)路(lù)沒(méi)有(yǒu)統一(yī)的(de)时(shí)鐘(zhōng)，有(yǒu)些觸發(fà)器的(de)时(shí)鐘(zhōng)輸入(rù)端與(yǔ)时(shí)鐘(zhōng)脈沖源相連(lián)，这(zhè)有(yǒu)这(zhè)些觸發(fà)器的(de)狀态變(biàn)化(huà)與(yǔ)时(shí)鐘(zhōng)脈沖同(tóng)步，而(ér)其他(tā)的(de)觸發(fà)器的(de)狀态變(biàn)化(huà)不(bù)與(yǔ)时(shí)鐘(zhōng)脈沖同(tóng)步。
3.时(shí)序設計(jì)的(de)实質(zhì)：
電(diàn)路(lù)設計(jì)的(de)難點(diǎn)在(zài)时(shí)序設計(jì)，时(shí)序設計(jì)的(de)实質(zhì)就(jiù)是(shì)滿足每一(yī)个(gè)觸發(fà)器的(de)建立/保持(chí)时(shí)間(jiān)的(de)而(ér)要(yào)求。
4.建立时(shí)間(jiān)與(yǔ)保持(chí)时(shí)間(jiān)的(de)概念？
建立时(shí)間(jiān)：觸發(fà)器在(zài)时(shí)鐘(zhōng)上(shàng)升(shēng)沿到(dào)来(lái)之前(qián)，其數據(jù)輸入(rù)端的(de)數據(jù)必須保持(chí)不(bù)變(biàn)的(de)时(shí)間(jiān)。保持(chí)时(shí)間(jiān)：觸發(fà)器在(zài)时(shí)鐘(zhōng)上(shàng)升(shēng)沿到(dào)来(lái)之後(hòu)，其數據(jù)輸入(rù)端的(de)數據(jù)必須保持(chí)不(bù)變(biàn)的(de)时(shí)間(jiān)。
5.为(wèi)什麼(me)觸發(fà)器要(yào)滿足建立时(shí)間(jiān)和(hé)保持(chí)时(shí)間(jiān)？
因(yīn)为(wèi)觸發(fà)器內(nèi)部(bù)數據(jù)的(de)形成(chéng)是(shì)需要(yào)一(yī)定(dìng)的(de)时(shí)間(jiān)的(de)，如(rú)果(guǒ)不(bù)滿足建立和(hé)保持(chí)时(shí)間(jiān)，觸發(fà)器将進(jìn)入(rù)亞稳态，進(jìn)入(rù)亞稳态後(hòu)觸發(fà)器的(de)輸出(chū)将不(bù)稳定(dìng)，在(zài) 0 和(hé) 1 之間(jiān)變(biàn)化(huà)，这(zhè)时(shí)需要(yào) 經(jīng)过(guò)一(yī)个(gè)恢複时(shí)間(jiān)，其輸出(chū)才能(néng)稳定(dìng)，但稳定(dìng)後(hòu)的(de)值并不(bù)一(yī)定(dìng)是(shì)你的(de)輸入(rù)值。这(zhè)就(jiù)是(shì)为(wèi) 什麼(me)要(yào)用(yòng)两(liǎng)級觸發(fà)器来(lái)同(tóng)步异(yì)步輸入(rù)信(xìn)号(hào)。这(zhè)樣(yàng)做可(kě)以(yǐ)防止由(yóu)于(yú)异(yì)步輸入(rù)信(xìn)号(hào)对(duì)于(yú)本(běn)級 时(shí)鐘(zhōng)可(kě)能(néng)不(bù)滿足建立保持(chí)时(shí)間(jiān)而(ér)使本(běn)級觸發(fà)器産生(shēng)的(de)亞稳态傳播到(dào)後(hòu)面(miàn)邏輯中(zhōng)，導致(zhì)亞 稳态的(de)傳播。（比較容易理解(jiě)的(de)方(fāng)式）換个(gè)方(fāng)式理解(jiě)：需要(yào)建立时(shí)間(jiān)是(shì)因(yīn)为(wèi)觸發(fà)器的(de) D 段(duàn)像一(yī)个(gè)鎖存器在(zài)接受數據(jù)，为(wèi)了(le)稳定(dìng)的(de)設置前(qián)級門(mén)的(de)狀态需要(yào)一(yī)段(duàn)稳定(dìng)时(shí)間(jiān)；需要(yào)保 持(chí)时(shí)間(jiān)是(shì)因(yīn)为(wèi)在(zài)时(shí)鐘(zhōng)沿到(dào)来(lái)之後(hòu)，觸發(fà)器要(yào)通(tòng)过(guò)反(fǎn)饋来(lái)所(suǒ)存狀态，從後(hòu)級門(mén)傳到(dào)前(qián)級門(mén) 需要(yào)时(shí)間(jiān)。
6.什麼(me)是(shì)亞稳态？为(wèi)什麼(me)两(liǎng)級觸發(fà)器可(kě)以(yǐ)防止亞稳态傳播？
这(zhè)也(yě)是(shì)一(yī)个(gè)异(yì)步電(diàn)路(lù)同(tóng)步化(huà)的(de)問(wèn)題(tí)，具體(tǐ)的(de)可(kě)以(yǐ)參考《EDACN 技術(shù)月(yuè)刊(kān) 20050401》。亞稳态是(shì)指觸發(fà)器无法在(zài)某个(gè)規定(dìng)的(de)时(shí)間(jiān)段(duàn)內(nèi)到(dào)达(dá)一(yī)个(gè)可(kě)以(yǐ)确認的(de)狀态。使用(yòng)两(liǎng)級觸發(fà)
器来(lái)使异(yì)步電(diàn)路(lù)同(tóng)步化(huà)的(de)電(diàn)路(lù)其实叫做“一(yī)步同(tóng)位器”，他(tā)只(zhī)能(néng)用(yòng)来(lái)对(duì)一(yī)位异(yì)步信(xìn)号(hào)進(jìn) 行同(tóng)步。两(liǎng)級觸發(fà)器可(kě)防止亞稳态傳播的(de)原理：假設第(dì)一(yī)級觸發(fà)器的(de)輸入(rù)不(bù)滿足其建立 保持(chí)时(shí)間(jiān)，它(tā)在(zài)第(dì)一(yī)个(gè)脈沖沿到(dào)来(lái)後(hòu)輸出(chū)的(de)數據(jù)就(jiù)为(wèi)亞稳态，那(nà)麼(me)在(zài)下(xià)一(yī)个(gè)脈沖沿到(dào)来(lái) 之前(qián)，其輸出(chū)的(de)亞稳态數據(jù)在(zài)一(yī)段(duàn)恢複时(shí)間(jiān)後(hòu)必須稳定(dìng)下(xià)来(lái)，而(ér)且稳定(dìng)的(de)數據(jù)必須滿足 第(dì)二(èr)級觸發(fà)器的(de)建立时(shí)間(jiān)，如(rú)果(guǒ)都滿足了(le)，在(zài)下(xià)一(yī)个(gè)脈沖沿到(dào)来(lái)时(shí)，第(dì)二(èr)級觸發(fà)器将不(bù) 会(huì)出(chū)現(xiàn)亞稳态，因(yīn)为(wèi)其輸入(rù)端的(de)數據(jù)滿足其建立保持(chí)时(shí)間(jiān)。同(tóng)步器有(yǒu)效的(de)条(tiáo)件(jiàn)：第(dì)一(yī)級 觸發(fà)器進(jìn)入(rù)亞稳态後(hòu)的(de)恢複时(shí)間(jiān) + 第(dì)二(èr)級觸發(fà)器的(de)建立时(shí)間(jiān) < = 时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)。更(gèng)确切(qiè)地(dì) 说(shuō)，輸入(rù)脈沖宽(kuān)度(dù)必須大于(yú)同(tóng)步时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)與(yǔ)第(dì)一(yī)級觸發(fà)器所(suǒ)需的(de)保持(chí)时(shí)間(jiān)之和(hé)。最(zuì)保险 的(de)脈沖宽(kuān)度(dù)是(shì)两(liǎng)倍同(tóng)步时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)。 所(suǒ)以(yǐ)，这(zhè)樣(yàng)的(de)同(tóng)步電(diàn)路(lù)对(duì)于(yú)從較慢(màn)的(de)时(shí)鐘(zhōng)域来(lái)的(de)异(yì) 步信(xìn)号(hào)進(jìn)入(rù)較快(kuài)的(de)时(shí)鐘(zhōng)域比較有(yǒu)效，对(duì)于(yú)進(jìn)入(rù)一(yī)个(gè)較慢(màn)的(de)时(shí)鐘(zhōng)域，則沒(méi)有(yǒu)作用(yòng) 。
7.系(xì)統最(zuì)高(gāo)速度(dù)計(jì)算（最(zuì)快(kuài)时(shí)鐘(zhōng)頻率）和(hé)流水(shuǐ)線(xiàn)設計(jì)思(sī)想(xiǎng)：
同(tóng)步電(diàn)路(lù)的(de)速度(dù)是(shì)指同(tóng)步系(xì)統时(shí)鐘(zhōng)的(de)速度(dù)，同(tóng)步时(shí)鐘(zhōng)愈快(kuài)，電(diàn)路(lù)处理數據(jù)的(de)时(shí)間(jiān)間(jiān)隔越短(duǎn)，電(diàn)路(lù)在(zài)單位时(shí)間(jiān)內(nèi)处理的(de)數據(jù)量(liàng)就(jiù)愈大。假設 Tco 是(shì)觸發(fà)器的(de)輸入(rù)數據(jù)被(bèi)时(shí)鐘(zhōng)打(dǎ) 入(rù)到(dào)觸發(fà)器到(dào)數據(jù)到(dào)达(dá)觸發(fà)器輸出(chū)端的(de)延时(shí)时(shí)間(jiān)；Tdelay 是(shì)組合邏輯的(de)延时(shí)；Tsetup 是(shì) Ｄ觸發(fà)器的(de)建立时(shí)間(jiān)。假設數據(jù)已被(bèi)时(shí)鐘(zhōng)打(dǎ)入(rù) D 觸發(fà)器，那(nà)麼(me)數據(jù)到(dào)达(dá)第(dì)一(yī)个(gè)觸發(fà)器 的(de)Ｑ輸出(chū)端需要(yào)的(de)延时(shí)时(shí)間(jiān)是(shì) Tco，經(jīng)过(guò)組合邏輯的(de)延时(shí)时(shí)間(jiān)为(wèi) Tdelay，然後(hòu)到(dào)达(dá)第(dì)二(èr) 个(gè)觸發(fà)器的(de)Ｄ端，要(yào)希望时(shí)鐘(zhōng)能(néng)在(zài)第(dì)二(èr)个(gè)觸發(fà)器再次(cì)被(bèi)稳定(dìng)地(dì)打(dǎ)入(rù)觸發(fà)器，則时(shí)鐘(zhōng)的(de)延 遲必須大于(yú) Tco＋Tdelay＋Tsetup，也(yě)就(jiù)是(shì)说(shuō)最(zuì)小的(de)时(shí)鐘(zhōng)周期(qī) Tmin =Tco＋Tdelay＋ Tsetup，即最(zuì)快(kuài)的(de)时(shí)鐘(zhōng)頻率 Fmax=1/Tmin。FPGA 開(kāi)發(fà)软(ruǎn)件(jiàn)也(yě)是(shì)通(tòng)过(guò)这(zhè)種(zhǒng)方(fāng)法来(lái)計(jì)算系(xì) 統最(zuì)高(gāo)運行速度(dù) Fmax。
因(yīn)为(wèi) Tco 和(hé)Tsetup 是(shì)由(yóu)具體(tǐ)的(de)器件(jiàn)工藝決定(dìng)的(de)，故設計(jì)電(diàn)路(lù) 时(shí)只(zhī)能(néng)改變(biàn)組合邏輯的(de)延遲时(shí)間(jiān) Tdelay，所(suǒ)以(yǐ)说(shuō)縮短(duǎn)觸發(fà)器間(jiān)組合邏輯的(de)延时(shí)时(shí)間(jiān)是(shì) 提(tí)高(gāo)同(tóng)步電(diàn)路(lù)速度(dù)的(de)關(guān)鍵所(suǒ)在(zài)。由(yóu)于(yú)一(yī)般同(tóng)步電(diàn)路(lù)都大于(yú)一(yī)級鎖存，而(ér)要(yào)使電(diàn)路(lù)稳定(dìng)工 作，时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)必須滿足最(zuì)大延时(shí)要(yào)求。故只(zhī)有(yǒu)縮短(duǎn)最(zuì)长延时(shí)路(lù)徑，才能(néng)提(tí)高(gāo)電(diàn)路(lù)的(de)工作 頻率。可(kě)以(yǐ)将較大的(de)組合邏輯分(fēn)解(jiě)为(wèi)較小的(de) N 块(kuài)，通(tòng)过(guò)适當的(de)方(fāng)法平均分(fēn)配組合邏輯， 然後(hòu)在(zài)中(zhōng)間(jiān)插入(rù)觸發(fà)器，并和(hé)原觸發(fà)器使用(yòng)相同(tóng)的(de)时(shí)鐘(zhōng)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)避免在(zài)两(liǎng)个(gè)觸發(fà)器之間(jiān) 出(chū)現(xiàn)过(guò)大的(de)延时(shí)，消除速度(dù)瓶颈，这(zhè)樣(yàng)可(kě)以(yǐ)提(tí)高(gāo)電(diàn)路(lù)的(de)工作頻率。
这(zhè)就(jiù)是(shì)所(suǒ)謂"流水(shuǐ)線(xiàn)"技術(shù)的(de)基本(běn)設計(jì)思(sī)想(xiǎng)，即原設計(jì)速度(dù)受限部(bù)分(fēn)用(yòng)一(yī)个(gè)时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)实 現(xiàn)，采用(yòng)流水(shuǐ)線(xiàn)技術(shù)插入(rù)觸發(fà)器後(hòu)，可(kě)用(yòng) N 个(gè)时(shí)鐘(zhōng)周期(qī)实現(xiàn)，因(yīn)此(cǐ)系(xì)統的(de)工作速度(dù)可(kě) 以(yǐ)加快(kuài)，吞吐量(liàng)加大。注意(yì)，流水(shuǐ)線(xiàn)設計(jì)会(huì)在(zài)原數據(jù)通(tòng)路(lù)上(shàng)加入(rù)延时(shí)，另(lìng)外(wài)硬(yìng)件(jiàn)面(miàn)積也(yě) 会(huì)稍有(yǒu)增加。
