通过做verilog99题的第11题学习竞争与冒险
题目
011.什么是竞争和冒险？
注：以下都是知识的搬运和总结，参考文献在最后。
冒险现象
在信号传输与状态变换时会发生的延迟（Delay）。事实上，由于这些延迟，当输入信号发生变化时，其输出信号不能立即跟随输入信号的变化而变化，而是经过一段过渡时间后才能达到原先所期望的状态，从而可能产生瞬间的错误输出，造成逻辑功能的瞬时紊乱。这种现象被称为逻辑电路的“冒险现象”（Hazard），简称“险象”。
产生冒险的原因——竞争
在组合逻辑电路中，输入信号的变化传输到电路各级门时，在时间上有先有后，这种先后所形成的时间差称为竞争（Competition）。
-
分类一：逻辑竞争和功能竞争
-
逻辑竞争：某一个输入端到达某个输出端存在多条不同延迟的信号途径，导致的竞争为逻辑竞争（Logic competition）。
-
功能竞争：如果多个输入端同时存在到达某个输出端的不同延迟的信号途径，则称为功能竞争（Function competition）。
-
-
分类二：非临界竞争和临界竞争——竞争不一定带来错误的输出。
-
非临界竞争：把不会使电路产生错误输出的竞争称为非临界竞争（Non-critical competition）。
-
临界竞争：而把产生错误输出的竞争称为临界竞争（Critical competition）。临界竞争产生的错误输出是在输出波形上出现不需要的尖峰脉冲（毛刺）（Glitch），暂时地破坏正常的逻辑关系。一旦瞬态过程结束，即可恢复正常的逻辑关系。
如下图中，因为F=AB，当AB取值为01或10时，F的值应该恒等于0，然而如中间图所示在AB由01变为10的过程中，由于A先于B变化而产生了正向干扰脉冲，这种由于输入信号的到达时间不同而产生的干扰属于功能竞争，这种竞争属于临界竞争。若右图所示，B先于A变化为低电平，即使A信号再变为高电平，在输出端也不会产生干扰脉冲。这种竞争称为非临界竞争。
-
当B=C=1时，F应该恒等于1，这是在理想条件下得出得结论。实际上，门电路都存在延迟时间，假设每个门电路的延迟时间都为t。
当A由低电平变为高电平，经过门延迟t后，反相器G1的输出d由高电平变为低电平，同时与非门G2的输出e也由高电平变为低电平，在G1的输出d为低电平之前，d仍然维持高电平不变，因此G3的输出g不变；再经过门延迟t后，与非门G3的输出g由低变为高电平。由于之前e已经为低电平，以输出F恒定为高电平不变。没有出现尖脉冲，即没有出现险象，所以该竞争是逻辑竞争、非临界竞争。
而A由高电平变为低电平时，经过门延迟t后，反相器G1的输出d由低电平变为高电平，同时与非门G2的输出e也由低电平变为高电平；再经过门延t后，与非门G3的输出g才由高电平变为低电平。由图可以看出，在t的持续时间内，与非门Ga的输入都为高电平，再经过t后，输出持续时间为t低电平尖脉冲，也就是说，这次竞争产生了险象，是逻辑临界竞争。
冒险的判断方法
- 代数法
- 卡诺图法
当某个变量A同时以原变量和反变量的形式出现在逻辑函数表达式中，且在一定条件下该逻辑函数表达式可以简化为A+A'或AA'的形式时，则该逻辑函数表达式对应的电路在变量A发生变化时，可能由于竞争而产生险象。
在代数法的判断中，首先检查函数表达式中是否存在具备竞争条件的变量，即是否同时存在某个变量的原变量和反变量。若存在，则将其他变量的所有取值组合依次代入逻辑函数表达式中，看逻辑函数是否能成为A+A'或A·A'的形式，若能，则在此条件下，逻辑电路可能产生险象；否则，在该种变量的取值组合情况，逻辑电路不会产生险象。
在卡诺图判断方法中，首先做出逻辑函数的卡诺图，并画出与逻辑函数表达式中各“与”项（“或”项）完全对应的圈。然后观察卡诺图，若有圈“相切”，即两圈之间存在不被同一圈包含的相邻最小项，则该电路可能产生险象。“切点”的变量取值即为可能发生险象的固定变量取值。
冒险的消除方法
- 通过增加选通电路：增加选通电路一方面需要增加电路成本，另一方面需要预测险象出现的时刻以便消除，实现比较困难。
- 接入高频滤波电容：因为竞争-冒险所产生的干扰脉冲一般很窄，所以可以采用在输出端连接一个小电容到地的方法，消除干扰脉冲。干扰脉冲的持续时间与门电路的传输延迟属同一数量级，在TTL电路中，只需要几百皮法的电容，就足以把干扰脉冲削弱到开门电平以下。
- 改变逻辑设计并增加冗余项：当冒险是由单个变量改变状态而引起时，可以通过在“切点”增加冗余项的方法予以消除。
FPGA器件的竞争与冒险的消除方法
注：只做总结，详见后两篇参考文献。
- 在系统中尽可能采用同步电路：D触发器的D输入端对毛刺不敏感。
- 在输出信号的保持时间内对其进行“采样”。
- 采样信号
- 将组合电路和时序电路结合起来变成同步时序电路。
- 使用格雷码。格雷码在转化时只有一个输出信号改变，从而不会引起竞争冒险现象。
参考文献
