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1.3 Verilog 门延迟

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2023-03-14

关键词： 门延迟， D 触发器

门延迟类型

前两节中所介绍的门级电路都是没有延迟的，实际门级电路都是有延迟的。

Verilog 中允许用户使用门延迟，来定义输入到其输出信号的传输延迟。

门延迟类型主要有以下 3 种。

上升延迟

在门的输入发生变化时，门的输出从 0，x，z 变化为 1 所需要的转变时间，称为上升延迟。

下降延迟

在门的输入发生变化时，门的输出从 1，x，z 变化为 0 所需要的转变时间，称为下降延迟。

关断延迟

关断延迟是指门的输出从 0，1，x 变化为高阻态 z 所需要的转变时间。

门输出从 0，1，z 变化到 x 所需要的转变时间并没有被明确的定义，但是它所需要的时间可以由其他延迟类型确定，即为以上 3 种延迟值中最小的那个延迟。

门延迟可以在门单元例化时定义，定义格式如下：

gate_type [delay]  [instance_name]  (signal_list) ;

其中，delay 的个数可以为 0 个、1 个、2 个或 3个 。

下表为不同延迟个数时，各种类型延迟的取值情况说明。

延迟类型 无延迟 1 个延迟 (d) 2 个延迟 (d1, d2) 3 个延迟 (d1, d2, d3)
上升 0 d d1 d1
下降 0 d d2 d2
关断 0 d min(d1, d2) d3
to_x 0 d min(d1, d2) min(d1, d2, d3)

如果用户没有指定延迟值，则默认延迟为 0 。

如果用户指定了 1 个延迟值，则所有类型的延迟值大小均为此值。

如果用户指定了 2 个延迟值，则他们分别代表上升延迟和下降延迟，关断和"to_x"延迟均为这 2 种延迟值中最小的那个。

如果用户指定了 3 个延迟值，则他们分别代表上升延迟、下降延迟和关断延迟，"to_x"延迟为这 3 种延迟值中最小的那个。

带有延迟值的门级单元例化如下：

实例

    //rise, fall and turn-off delay are all 1
    and # ( 1 )             (OUT1 , IN1 , IN2 ) ;
    //rise delay = 2.1, fall dalay = 2, trun-off delay = 2
    or   # ( 2.1 , 2 )         (OUT2 , IN1 , IN2 ) ;
    //rise delay = 2, fall dalay = 1, trun-off delay = 1.3
    bufif0 # ( 2 , 1 , 1.3 )   (OUT3 , IN1 , CTRL ) ;

需要说明的是，多输入门（如与门）和多输出门（如非门）最多只能定义 2 个延迟，因为输出不会是 z 。

三态门和单向开关单路（MOS 管、CMOS 管等）可以定义 3 个延迟。

上下拉门级电路不会有任何的延迟，因为它表示的是一种硬件属性，上下拉状态不会发生变化，且没有输出值。

双向开关（tran）在传输信号时没有延迟，不允许添加延迟定义。

带有控制端的双向开关（tranif1, tranif0）在开关切换的时候，会有开或关的延迟，可以给此类双向开关指定 0 个、1 个或 2 个的延迟，例如：

实例

    //turn-on and turn-off delay are all 1
    tranif0 # ( 1 )         (inout1 , inout2 , CTRL ) ;
    //turn-on delay = 1, turn-off delay = 1.2
    tranif1 # ( 1 , 1.2 )     (inout3 , inout4 , CTRL ) ;

最小/典型/最大延迟

由于集成电路制造工艺的差异，实际电路中器件的延迟总会在一定范围内波动。Verilog 中，用户不仅可以指定 3 种类型的门延迟，还可以对每种类型的门延迟指定其最小值、典型值和最大值。在编译或仿真阶段，来选择使用哪一种延迟值，为更切实际的仿真提供了支持。

  • 最小值：门单元所具有的最小延迟。
  • 典型值：门单元所具有的典型延迟。
  • 最大值：门单元所具有的最大延迟。

下面通过例化实例，来说明最小、典型、最大延迟的用法。

实例

    //所有的延迟类型： 最小延迟 1, 典型延迟 2, 最大延迟 3
    and # ( 1 : 2 : 3 )             (OUT1 , IN1 , IN2 ) ;
    //上升延迟：最小延迟 1, 典型延迟 2, 最大延迟 3
    //下降延迟：最小延迟 3, 典型延迟 4, 最大延迟 5
    //关断延迟：最小延迟 min(1,3), 典型延迟 min(2,4), 最大延迟 min(3,5)
    or   # ( 1 : 2 : 3 , 3 : 4 : 5 )         (OUT2 , IN1 , IN2 ) ;
    //上升延迟：最小延迟 1, 典型延迟 2, 最大延迟 3
    //下降延迟：最小延迟 3, 典型延迟 4, 最大延迟 5
    //关断延迟：最小延迟 2, 典型延迟 3, 最大延迟 4
    bufif0 # ( 1 : 2 : 3 , 3 : 4 : 5 , 2 : 3 : 4 )   (OUT3 , IN1 , CTRL ) ;

D 触发器

下面从门级建模的角度，对 D 触发器进行设计。

SR 触发器

SR 触发器结构图及真值表如下所示。

  • 1、当 S 为低电平，G1 输出端 Q 为高电平，并反馈到 G2 输入端。如果此时 R 为高电平，则 G2 输出端 Q' 为低电平。
  • 2、R 为低电平 S 为高电平时，分析同理。
  • 3、S 与 R 均为高电平时，如果 Q = 1 (Q' = 0) , 则 Q 反馈到 G2 输入端后输出 Q' 仍然为 0， Q' 反馈到 G1 输入端后输出 Q 仍然是 1，呈现稳态。如果 Q =0 (Q' = 1) 同理，Q 与 Q' 的值仍然会保持不变。即 S 与 R 均为高电平时该电路具有保持的功能。
  • 4、如果 S 与 R 均为低电平，则输出 Q 与 Q' 均为高电平，不再成互补的关系。所以此种情况是禁止出现的。

SR 锁存器

在基本的 SR 触发器前面增加 2 个与非门，可构成带有控制端 SR 锁存器。

SR 锁存器及其真值表如下所示。

  • 当 EN=0 时，G3、G4 截止，SR 锁存器保持输出状态不变。
  • 当 EN=1 时，与基本的 SR 触发器工作原理完全相同。

D 锁存器

基本的 SR 触发器输入端不能同时为 0， 带有控制端的 SR 锁存器输入端不能同时为 1，否则会导致输出端 Q 与 Q' 的非互补性矛盾。

为消除此种不允许的状态，在带有控制端的 SR 锁存器结构中加入取反模块，保证 2 个输入端均为相反逻辑，则形成了 D 锁存器。

其结构图和真值表如下所示。

  • 1、当 EN=1 时，输出状态随输入状态的改变而改变。
  • 2、当 EN=0 时，输出状态保持不变。

D 锁存器是一种电平触发。

如果在 EN=1 的有效时间内，D 端信号发生多次翻转，则输出端 Q 也会发生多次翻转。这降低了电路的抗干扰能力，不是实际所需求的安全电路。

为提高触发器的可靠性，增强电路抗干扰能力，发明了在特定时刻锁存信号的 D 触发器。

D 触发器

将两个 D 锁存器进行级联，时钟取反，便构成了一种简单的 D 触发器，又名 Flip-flop。

其结构图和真值表如下所示。

第一级 D 锁存器又称为主锁存器，在 CP 为低电平时锁存。第二级 D 锁存器又称为从锁存器，时钟较主锁存器相反，在 CP 为高电平时锁存。

  • 1、CP=1 时，主锁存器输出端 Qm 会和 D 端信号的变化保持一致，而从锁存器处于保持状态，输出 Qs 保持不变。
  • 2、CP由高电平变为低电平时，主锁存器锁存当前 D 的状态，传递到输出端 Qm 并保持不变。而从锁存器输出端 Qs 会和 Qm 的变化保持一致。此时处于锁存状态下的主锁存器输出端 Qm 会保持不变，所以 D 触发器输出端 Qs 端得到新的 Qm 值后， 也会保持不变。

综上所述，D 触发器输出端 Qs 只会在时钟 CP 下降沿对 D 端进行信号的锁存，其余时间输出端信号具有保持的功能。

将双级 D 锁存器展开为门级结构，如下图所示。

对 D 触发进行门级建模，并加入门级延时，verilog 模型如下：

实例

module D_TRI (
            input       D , CP ,
            output      Q , QR ) ;
    parameter RISE_TIME = 0.11 ;
    parameter FALL_TIME = 0.07 ;
    //part1, not gate
    wire         CPN , DN ;
    not   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (CPN , CP ) ;
    not   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (DN , D ) ;
    //part2, master trigger
    wire         G3O , G4O ;
    nand # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G3O , D , CP ) ;
    nand # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G4O , DN , CP ) ;
    wire # (RISE_TIME , FALL_TIME )         G1O , G2O ;
    nand # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G1O , G3O , G2O ) ;
    nand # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G2O , G4O , G1O ) ;
    //part3, slave trigger
    wire         G7O , G8O ;
    nand   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G7O , G1O , CPN ) ;
    nand   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G8O , G2O , CPN ) ;
    wire         G5O , G6O ;
    nand   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G5O , G7O , G6O ) ;
    nand   # (RISE_TIME , FALL_TIME )         (G6O , G8O , G5O ) ;
    assign       Q = G5O ;
    assign       QR = G6O ;
endmodule

testbench 编写如下：

实例

`timescale 1ns / 1ps
module test ;
    reg  D , CP = 0 ;
    wire Q , QR ;
    always # 5 CP = ~CP ;
    initial begin
      D = 0 ;
      # 12 D = 1 ;
      # 10 D = 0 ;
      # 14 D = 1 ;
      # 3  D = 0 ;
      # 18 D = 0 ;
    end
   D_TRI u_d_trigger (
        .D       (D ) ,
        .CP     (CP ) ,
        .Q       (Q ) ,
        .QR     (QR ) ) ;
    initial begin
      forever begin
          # 100 ;
          //$display("---gyc---%d", $time);
          if ( $time >= 1000 ) begin
            $finish ;
          end
      end
    end
endmodule // test

仿真结果如下。

由图可知，Q/QR 信号均在时钟 CP 下降沿采集到了 D 端信号，并在单周期内保持不变，且输出有延迟。

对 cap3 时刻进行放大，对延时进行追踪，如下图所示。

  • CP 端到 CPN 端有上升延迟，时间为 110ps；
  • CPN 端到 G8O 端有下降延迟，时间为 70ps；
  • G8O 端到 G6O 端有上升延迟，时间为 110ps；
  • G6O 端到 Q 端有下降延迟，时间为 70ps；
  • 共 360ps，符合设置的门延迟。

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