論邏輯電路中的競爭與冒險現象

馮錦　胥森譯　胥學金

【摘要】本文對邏輯電路中的競爭與冒險現象產生的原因、險象的分類和判斷及消除方法進行了較全面的認識和論述。對競爭與冒險現象在邏輯電路中的廣泛性進行了討論，對邏輯電路在時序匹配和電路結構上，與電路功能之間的矛盾和不合理性，用時空觀進行了初探的同時，對險象提出了一分為二的處理方法。

【關鍵詞】邏輯電路；競爭；險象

一、引言

在討論邏輯電路，特別是組合電路時，常常為了分析問題的方便，沒有考慮信號傳輸中的時延問題；或者只考慮了靜態過程和穩態輸出。實際上，信號經過任何邏輯門和導線都會產生時間延遲，這就使得當電路所有輸入達到穩定狀態時，輸出并不是立即達到穩定狀態，而有一個過渡過程（或暫態），嚴重時還可能有尖峰脈沖，俗稱“毛刺”產生。

一般來說，延遲時間對數字系統是一個有害的因素。例如，使得系統操作速度下降，引起電路中信號的波形參數變壞，以及產生競爭冒險現象引起錯誤輸出等問題。下面對后一個問題進行討論。

二、競爭現象與險象的產生

（一）競爭的概念與類型

邏輯電路中各條路徑上延遲時間的長短，不僅與信號經過的門的級數和具體邏輯門的時延大小有關，還與導線的長短有關，因此，輸入信號經過不同路徑到達輸出端的時間有先有后，這種現象稱為競爭現象。

1.競爭：由于延遲時間的影響，使得輸入信號經過不同路徑到達輸出端的時間有先有后，這一現象稱為競爭。

通常，可以更廣義地把競爭理解為多個信號到達某一點有時差的現象。

2.競爭的類型：根據競爭結果引起錯誤輸出信號與否，競爭可以分為兩種類型：

（1）非臨界競爭——不產生錯誤輸出的競爭稱為非臨界競爭；

（2）臨界競爭——導致錯誤輸出的競爭稱為臨界競爭。

（二）險象定義、分類

1.險象定義：由競爭導致的錯誤輸出信號的現象，叫冒險現象，即險象。

在組合電路中的險象是一種瞬態現象，它表現為在輸出端產生不應有的尖脈沖，暫時地破壞正常邏輯關系。一旦瞬態過程結束，即可恢復正常邏輯關系。

2.險象的分類：

（1）在組合電路中的險象可分為靜態險象和動態險象。

1）靜態險象：如果在輸入變化而輸出不應發生變化的情況下，輸出端產生了短暫的錯誤輸出，則稱為靜態險象。靜態險象一般只有單種尖峰，要么“0”型，要么“1”型.

2）動態險象：如果在輸入變化而輸出應該發生變化的情況下，輸出在變化過程中產生了短暫的錯誤輸出，則稱為動態險象。動態險象一般存在“0”型和“1”型兩種交替尖峰.

3）動、靜態險象的關系：有動態險象，必有靜態險象；消除了靜態險象，也就消滅了動態險象，因為動態險象是由靜態險象引起的。

（2）按錯誤輸出脈沖信號的極性可分為：“0”型險象與“1”型險象。

1）“0”型險象：錯誤輸出信號為負脈沖。

2）“1”型險象：錯誤輸出信號為正脈沖。

（3）從消除的險象的方法上，區分邏輯險象與功能險象：

通過修改邏輯設計，就能消除的險象，叫邏輯險象；否則，叫功能險象。

邏輯險象，一般由同一變量經過不同傳輸門或延時路徑而不能同時到達輸出級的輸入端，引起邏輯競爭而產生的臨界競爭現象。它可以通過修改邏輯設計，即增加冗余項辦法來消除。而功能險象，往往由多個變量輸入到達輸出級輸入端不同時，即有先有后的時差引起；或由兩個變量同時向相反方向變化，但客觀上因有上升、下降時間存在引起過渡過程，實際上不可能做到在同一時刻點上同時變化，而產生的臨界競爭現象。功能險象不能用修改邏輯設計辦法來消除，如譯碼電路引起的譯碼噪聲。

（三）競爭與險象的關系：

由上面分析可知，有競爭未必有險象，有險象必有競爭，這就是競爭與險象的關系。

三、險象的判斷與檢測

判斷電路是否可能產生險象的方法，有代數法和卡諾圖法。

針對前面分析的情況可知，當某個變量x同時以原變量和反變量的形式出現在函數表達式中，且在一定條件下該函數表達式可簡化成F=X+x或者F=X·x的形式時，該函數表達式對應的電路在x發生變化時，可能由于邏輯競爭而產生邏輯險象；當有多個輸入變量在某時刻點發生變化時，要考慮功能險象是否存在。

（一）代數法

檢查函數表達式中是否存在具備競爭條件的變量，即是否有某個變量x同時以原變量和反變量的形式出現在函數表達式中。

若存在具備競爭條件的變量x，則消去函數式中的其他變量，看函數表達式是否會變為F=X+x或者F=X+x的形式。若有，則說明對應的邏輯電路可能產生險象。

（二）卡諾圖法：

當描述電路的邏輯函數為“與一或”表達式時，采用卡諾圖判斷險象比代數法更為直觀、方便。

對邏輯險象，作出函數卡諾圖，并畫出和函數表達式中各“與”項對應的卡諾圈。若卡諾圈之間存在“相切”關系，即兩卡諾圈之間存在不被同一卡諾圈包含的相鄰最小項，（好比項鏈，中間斷了一圈），則該電路可能產生邏輯險象。

對功能險象，在函數卡諾圖，相鄰最小項一值向另一等值變化，途經中間的相鄰最小項時，有異值情況存在時發生。

險象的檢測可以通過計算機模擬仿真或實驗觀測，來發現尖峰脈沖。

（三）時序分析

通過在計算機上運行數字電路的模擬程序，能夠迅速查出是否存在競爭一冒險現象。目前已有這類成熟的軟件程序可供使用。

（四）實驗檢查

用實驗方法來檢查邏輯電路的輸出端波型上是否有尖峰脈沖產生。這時加到輸入端的信號波形應該包含輸入變量的所有可能發生的狀態變化。