第 9 讲：竞争、冒险与毛刺消除

Boolean 表达式只描述稳态。真实门有传播延迟，同一个输入经不同路径到达输出的时间不同，这叫竞争；竞争导致错误窄脉冲时，称为冒险或毛刺。

静态冒险

• 静态 1 冒险：理论输出应保持 1，却短暂掉到 0；
• 静态 0 冒险：理论输出应保持 0，却短暂升到 1。

例如

$$F=AB+\bar AC.$$

当 $B=C=1$、$A$ 从 1 变 0 时，理论上 $F=1$。但 $AB$ 先变 0、$\bar AC$ 后变 1 的间隙里，输出可能短暂为 0。

由共识定理加入冗余项 $BC$：

$$F=AB+\bar AC+BC.$$

稳态逻辑不变，但 $BC$ 在过渡期间提供持续为 1 的路径，消除这类静态 1 冒险。

Karnaugh 图判别

两级与或电路中，输入只改变一位时，若相邻两个 1 没被同一圈覆盖，就可能有静态 1 冒险。补一个同时覆盖这两个 1 的重叠圈即可。

两级或与电路则对相邻两个 0 做同样检查，消除静态 0 冒险。

这个方法假设只有一个输入变量变化。多个输入同时变化时，路径和逻辑状态都可能复杂得多，不能只靠加一个共识项保证无冒险。

动态冒险

理论输出只应翻转一次，却发生多次跳变，称为动态冒险。它常出现在多级逻辑中，一次输入变化经过三条以上不同延迟路径。

把电路化成无静态冒险的两级形式，通常也有助于避免动态冒险；更稳妥的工程方法是同步化，让输出在稳定后才被触发器采样。

功能冒险

多个输入同时变化时，即使每条单变量路径都无冒险，经过中间组合也可能短暂进入非预期输入组合，产生功能冒险。Gray 编码让相邻状态只变一位，能降低这类风险。

消除方法

1. 增加冗余项：逻辑设计层面消除单变量静态冒险；
2. 选通：在输入变化期间禁止输出，稳定后再打开；
3. 锁存/同步采样：用时钟只在规定时刻采样组合结果；
4. 滤波电容：滤掉很窄毛刺，但会增加延迟和边沿时间，不能滥用；
5. 平衡路径延迟：使竞争路径到达更接近，但工艺、电压、温度变化下不易保证；
6. Gray 编码或安全状态编码：减少同时翻转位数。

为什么毛刺危险

若毛刺只进入普通数据端，并在下一个时钟沿前充分稳定，可能不影响同步系统；若进入异步复位、时钟、计数输入、写使能或外部控制，极窄脉冲也可能造成不可逆错误。

因此不能只问“稳态真值对不对”，还要问输出被谁、在什么时候采样。

检查流程

1. 找出同时出现 $A$ 与 $\bar A$ 的不同路径；
2. 明确输入变化前后理论输出应保持还是翻转；
3. 用 Karnaugh 图检查相邻格是否同圈覆盖；
4. 加共识项后验证稳态函数不变；
5. 确认电路是两级还是多级、是否多输入变化；
6. 对时钟和异步控制信号采取比普通数据更严格的无毛刺策略。