什么是竞争冒险？如何避免竞争冒险？

1. 竞争冒险是什么？

竞争冒险是数字电路中的一种现象，当输入信号变化时，由于信号传输速度不同，导致输出出现短暂的错误信号（毛刺）。这种现象就像两个人赛跑，如果跑的速度不一样，可能会导致混乱。

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2. 用更简单的例子解释

假设你有一个简单的电路，功能是控制灯泡的开关：

• 输入信号：两个开关 A 和 B。

• 输出信号：灯泡 Y。

电路逻辑是：Y = A & B（A 和 B 同时按下时，灯泡亮）。

情景：

• 一开始，A = 1（按下），B = 0（未按下），灯泡 Y = 0（灭）。

• 现在，A 从 1 变为 0（松开），同时 B 从 0 变为 1（按下）。

问题：

由于信号传输速度不同，可能会出现以下情况：

1. A 先变为 0，B 还未变为 1，此时 Y = 0 & 0 = 0（灯泡灭）。

2. 然后 B 变为 1，此时 Y = 0 & 1 = 0（灯泡灭）。

3. 但如果 A 和 B 的变化时间非常接近，可能会导致 Y 短暂地变为 1（灯泡亮一下又灭）。

这种灯泡短暂亮一下的现象就是 竞争冒险。

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3. 为什么竞争冒险不好？

竞争冒险会导致电路输出出现短暂的错误信号，可能会被后续电路误认为是有效信号，从而导致整个系统工作不正常。

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4. 如何消除竞争冒险？

以下是几种常见的消除竞争冒险的方法：

（1）增加冗余项

在逻辑表达式中增加额外的项，可以消除竞争冒险。例如：

• 原始表达式：Y = A & B | ~A & C

• 增加冗余项后：Y = A & B | ~A & C | B & C

这样可以确保在输入信号变化时，输出不会出现毛刺。

（2）引入时钟信号（同步设计）

将组合逻辑电路改为时序逻辑电路，通过时钟信号控制输出的变化。这样可以避免竞争冒险的影响，因为输出只会在时钟边沿变化。

（3）增加滤波电容

在输出端增加一个小电容，可以滤除短暂的毛刺。这种方法适用于低速电路。

（4）优化电路设计

• 尽量减少逻辑门的级数，降低信号传输延迟。

• 使用平衡的逻辑路径，确保信号到达时间一致。

（5）使用格雷码

在状态机设计中，使用格雷码可以减少状态切换时的竞争冒险，因为格雷码每次只改变一个比特。

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5. 总结

• 竞争冒险是由于信号传输速度不同导致的输出短暂错误。

• 它可能引发电路功能错误，因此需要消除。

• 消除竞争冒险的方法包括增加冗余项、引入时钟信号、增加滤波电容、优化电路设计和使用格雷码等