FPGA 高級設(shè)計：時序分析和收斂

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今天給大俠帶來FPGA 高級設(shè)計：時序分析和收斂，話不多說，上貨。

這里超鏈接一篇之前的STA的文章，僅供各位大俠參考。

FPGA STA(靜態(tài)時序分析)

什么是靜態(tài)時序分析？靜態(tài)時序分析就是Static Timing Analysis，簡稱 STA。它可以簡單的定義為：設(shè)計者提出一些特定的時序要求（或者說是添加特定的時序約束），套用特定的時序模型，針對特定的電路進(jìn)行分析。分析的最終結(jié)果當(dāng)然是要求系統(tǒng)時序滿足設(shè)計者提出的要求。

下面舉一個最簡單的例子來說明時序分析的基本概念。

假設(shè)信號需要從輸入到輸出在FPGA 內(nèi)部經(jīng)過一些邏輯延時和路徑延時。我們的系統(tǒng)要求這個信號在 FPGA 內(nèi)部的延時不 能超過 15ns，而開發(fā)工具在執(zhí)行過程中找到了如圖 1 所示的一些可能的布局布線方式。

那么，怎樣的布局布線能夠達(dá)到我們的要求呢？仔細(xì)分析一番，發(fā)現(xiàn)所有路徑的延時可能為 14ns、14ns、16ns、17ns、18ns，有兩條路徑能夠滿足要求，布局布線就會選擇滿足要求的兩條路徑之一。

圖 1 靜態(tài)時序分析模型

因此，有些說法是錯誤的，不分什么情況就說時序不收斂，其實在不加約束的情況下談 時序約束是沒有意義的。

附加約束的基本作用：

1、提高設(shè)計的工作頻率

對很多數(shù)字電路設(shè)計來說，提高工作頻率非常重要，因為高工作頻率意味著高處理能力。 通過附加約束可以控制邏輯的綜合、映射、布局和布線，以減小邏輯和布線延時，從而提高 工作頻率。

2、獲得正確的時序分析報告

幾乎所有的 FPGA 設(shè)計平臺都包含靜態(tài)時序分析工具，利用這類工具可以獲得映射或 布局布線后的時序分析報告，從而對設(shè)計的性能做出評估。靜態(tài)時序分析工具以約束作為判斷時序是否滿足設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此要求設(shè)計者正確輸入約束，以便靜態(tài)時序分析工具輸 出正確的時序分析報告。

3、指定 FPGA/CPLD 引腳位置與電氣標(biāo)準(zhǔn)

FPGA/CPLD 的可編程特性使電路板設(shè)計加工和 FPGA/CPLD 設(shè)計可以同時進(jìn)行，而不必等 FPGA/CPLD 引腳位置完全確定，從而節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)時間。這樣，電路板加工完成后， 設(shè)計者要根據(jù)電路板的走線對 FPGA/CPLD 加上引腳位置約束，使 FPGA/CPLD 與電路板正確連接。另外通過約束還可以指定 IO 引腳所支持的接口標(biāo)準(zhǔn)和其他電氣特性。為了滿足日 新月異的通信發(fā)展，Xilinx 新型 FPGA/CPLD 可以通過 IO 引腳約束設(shè)置支持諸如 AGP、 BLVDS、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LDT、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVDSEXT、 LVTTL、PCI、PCIX、SSTL、ULVDS 等豐富的 IO 接口標(biāo)準(zhǔn)。另外通過區(qū)域約束還能在 FPGA上規(guī)劃各個模塊的實現(xiàn)區(qū)域，通過物理布局布線約束，完成模塊化設(shè)計等。

靜態(tài)時序分析中使用的各個模型分析：

1、周期（PERIOD）的含義

周期的含義是時序中最簡單也是最重要的含義，其它很多時序概念會因為軟件商不同略有差異，而周期的概念確是最通用的，周期的概念是 FPGA/ASIC 時序定義的基礎(chǔ)概念。后面要講到的其它時序約束都是建立在周期約束的基礎(chǔ)上的，很多其它時序公式，可以用周期公式推導(dǎo)。周期約束是一個基本時序和綜合約束，它附加在時鐘網(wǎng)線上，時序分析工具根據(jù)PERIOD 約束檢查時鐘域內(nèi)所有同步元件的時序是否滿足要求。PERIOD 約束會自動處理寄存器時鐘端的反相問題，如果相鄰?fù)皆r鐘相位相反，那么它們之間的延遲將被默認(rèn)限制為 PERIOD 約束值的一半，如圖 2 所示

圖 2 周期定義

時鐘的最小周期為：

TCLK = TCKO + TLOGIC + TNET + TSETUP - TCLK_SKEW

TCLK_SKEW = TCD1 - TCD2（穩(wěn)定時為負(fù)的）

其中 TCKO 為時鐘輸出時間，TLOGIC 為同步元件之間的組合邏輯延遲，TNET 為網(wǎng)線 延遲，TSETUP 為同步元件的建立時間，TCLK_SKEW 為時鐘信號 TCD2 和 TCD1 延遲的差別。

2、關(guān)于輸入到達(dá)時間

圖 3 輸入到達(dá)時間示意圖

定義的含義是輸入數(shù)據(jù)在有效時鐘沿之后的 TARRIVAL 時刻到達(dá)。則

TARRIVAL = TCKO + TOUTPUT + TLOGIC（1）

根據(jù)上面介紹的周期（Period）公式，我們可以得到：

Tcko + Toutput + Tlogic + Tinput + Tsetup - Tclk_skew = Tclk（2）

將公式 1 代入公式 2：Tarrival + Tinput + Tsetup - Tclk_skew = Tclk，而 Tclk_skew 滿足時序關(guān)系后為負(fù)，所以?TARRIVAL + TINPUT + TSETUP < Tclk（3）。

這就是 Tarrival 應(yīng)該滿足的時序關(guān)系。其中 TINPUT 為輸入端的組合邏輯、網(wǎng)線和 PAD的延遲之和，TSETUP 為輸入同步元件的建立時間。

3、數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)到達(dá)時間的關(guān)系

圖 4 數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)到達(dá)時間的關(guān)系

TDELAY 為要求的芯片內(nèi)部輸入延遲，其最大值 TDELAY_MAX 與輸入數(shù)據(jù)到達(dá)時間 TARRIVAL 的關(guān)系如圖 4 所示。也就是說：

TDELAY_MAX + TARRIVAL = TPERIOD（4）

所以：

TDELAY < TDELAY_MAX = TPERIOD - TARRIVAL（5）

4、要求輸出的穩(wěn)定時間

從下一級輸入端的延遲可以計算出當(dāng)前設(shè)計輸出的數(shù)據(jù)必須在何時穩(wěn)定下來，根據(jù)這個 數(shù)據(jù)對設(shè)計輸出端的邏輯布線進(jìn)行約束，以滿足下一級的建立時間要求，保證下一級采樣的 數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。計算要求的輸出穩(wěn)定時間如圖 5 所示：

圖 5 要求的輸出穩(wěn)定時間示意圖

公式的推導(dǎo)如下：

定義：TSTABLE = TLOGIC + TINPUT + TSETUP

從前面介紹的周期（Period）公式，可以得到（其中 TCLK_SKEW = TCLK1 - TCLK2）：

TCLK = TCKO + TOUTPUT + TLOGIC + TINPUT + TSETUP + TCLK_SKEW

將 TSTABLE 的定義代入到周期公式，可以得到：

TCLK = TCKO + TOUTPUT + TSTABLE + TCLK_SKEW

所以：TCKO + TOUTPUT + TSTABLE < TCLK

這個公式就是 TSTABLE 必須要滿足的基本時序關(guān)系，即本級的輸出應(yīng)該保持怎么樣的 穩(wěn)定狀態(tài)，才能保證下級芯片的采樣穩(wěn)定。有時我們也稱這個約束關(guān)系是輸出數(shù)據(jù)的保持時 間的時序約束關(guān)系。只要滿足上述關(guān)系，當(dāng)前芯片輸出端的數(shù)據(jù)比時鐘上升沿提早 TSTABLE 時間穩(wěn)定下來，下一級就可以正確地采樣數(shù)據(jù)。其中 TOUTPUT 為設(shè)計中連接同步元件輸出端的組合邏輯、網(wǎng)線和 PAD 的延遲之和，TCKO 為同步元件時鐘輸出時間。

下面闡述的是上面的時序概念對應(yīng)于 Altera 中的幾個重要的時序問題。

下面主要介紹 Altera 對應(yīng)的這些時序概念和約束方法。前面首先介紹的第一個時序概念周期（Period），這個概念是 FPGA/ASIC 通用的一個概念，各方的定義相當(dāng)統(tǒng)一，至多是描 述方式不同罷了，所有的 FPGA 設(shè)計都首先要進(jìn)行周期約束，這樣做的好處除了在綜合與 布局布線時給出規(guī)定目標(biāo)外，還能讓時序分析工具考察整個設(shè)計的 Fmax 等。

Altera 的周期定義如圖 6 所示，公式描述如下：

圖 6 Altera-clock period?

Clock Period = Clk – to – out + Data Delay + Setup Time - Clk Skew，

即： Tclk = Tco + B + Tsu - (E-C) Fmax =1/Tclk

對比一下前面的介紹，只要理解了 B 包含了兩級寄存器之間的所有 logic 和 net 的延時 就會發(fā)現(xiàn)與前面公式完全一致。

其他一些重要的概念：

1、Clock Setup Time（tsu）?

要想正確采樣數(shù)據(jù)，就必須使數(shù)據(jù)和使能信號在有效時鐘沿到達(dá)前就準(zhǔn)備好，所謂時鐘建立時間就是指時鐘到達(dá)前，數(shù)據(jù)和使能已經(jīng)準(zhǔn)備好的最小時間間隔。如圖 7 所示：

圖 7 tsu 示意圖

這里定義Setup時間是站在同步時序整個路徑上的，需要區(qū)別的是另一個概念Micro tsu。Micro tsu 指的是一個觸發(fā)器內(nèi)部的建立時間，它是觸發(fā)器的固有屬性，一般典型值小于1~2ns。在 Xilinx 等的時序概念中，稱 Altera 的 Micro tsu 為 setup 時間，用 Tsetup 表示，請 大家區(qū)分一下。

回到 Altera 的時序概念，Altera 的 tsu 定義如下：

tsu = Data Delay – Clock Delay + Micro tsu

2、Clock Hold Time（tH）?

時鐘保持時間是只能保證有效時鐘沿正確采用的數(shù)據(jù)和使能信號的最小穩(wěn)定時間。其定 義如圖 8 所示：

圖 8 tH示意圖

時鐘保持時間是只能保證有效時鐘沿正確采用的數(shù)據(jù)和使能信號的最小穩(wěn)定時間。其定 義如下圖所示：定義的公式為：tH = Clock Delay – Data Delay + Micro tH 注：其中 Micro tH 是指寄存器內(nèi)部的固有保持時間，同樣是寄存器的一個固有參數(shù)， 典型值小于 1~2ns。

3、Clock-to-Output Delay（tco）?

這個時間指的是當(dāng)時鐘有效沿變化后，將數(shù)據(jù)推倒同步時序路徑的輸出端的最小時間間隔。如圖 9 所示：

圖 9 tco 示意圖

定義：tco = Clock Delay + Micro tco + Data Delay

注：其中 Micor tco 也是一個寄存器的固有屬性，指的是寄存器相應(yīng)時鐘有效沿，將數(shù) 據(jù)送到輸出端口的內(nèi)部時間參數(shù)。它與 Xilinx 的時序定義中，有一個概念叫 Tcko 是同一個概念。

4、Pin to Pin Delay（tpd）?

tpd 指輸入管腳通過純組合邏輯到達(dá)輸出管腳這段路徑的延時，特別需要說明的是，要求輸入到輸出之間只有組合邏輯，才是 tpd 延時。

5、Slack

Slack 是表示設(shè)計是否滿足時序的一個稱謂，正的 Slack 表示滿足時序（時序的余量），負(fù)的 Slack 表示不滿足時序（時序的欠缺量）。

Slack 的定義和圖形如圖 10?所示：

圖 10 Slack 示意圖

Slack = Required clock period – Actual clock period Slack = Slack clock period – ( Micro tCO + Data Delay + Micro tSU )

6、始終偏斜

Clock Skew 指一個同源時鐘到達(dá)兩個不同的寄存器時鐘端的時間偏移，如圖 11?所示：

圖 11 clock skew 示意圖