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今天給大俠帶來FPGA STA(靜態(tài)時序分析)，話不多說，上貨。
一、概述
1.1? 概述
在快速系統(tǒng)中FPGA時序約束不止包含內(nèi)部時鐘約束，還應(yīng)包含完整的IO時序約束和時序例外約束才能實現(xiàn)PCB板級的時序收斂。因此。FPGA時序約束中IO口時序約束也是一個重點。僅僅有約束正確才能在快速情況下保證FPGA和外部器件通信正確。
1.2? FPGA總體概念
因為IO口時序約束分析是針對于電路板整個系統(tǒng)進(jìn)行時序分析，所以FPGA需要作為一個總體分析，當(dāng)中包含F(xiàn)PGA的建立時間、保持時間以及傳輸延時。傳統(tǒng)的建立時間、保持時間以及傳輸延時都是針對寄存器形式的分析。針對整個系統(tǒng)FPGA的建立時間保持時間能夠簡化。下圖為FPGA總體時序圖：
如圖上圖所示，分解的FPGA內(nèi)部寄存器的性能參數(shù)：
（1） Tdin為從FPGA的IO口到FPGA內(nèi)部寄存器輸入端的延時；
（2） Tclk為從FPGA的IO口到FPGA內(nèi)部寄存器時鐘端的延時；
（3） Tus/Th為FPGA內(nèi)部寄存器的建立時間和保持時間；
（4） Tco為FPGA內(nèi)部寄存器傳輸時間；
（5） Tout為從FPGA寄存器輸出到IO口輸出的延時。
對于整個FPGA系統(tǒng)分析，能夠又一次定義這些參數(shù)：FPGA建立時間能夠定義為：
（1） FPGA建立時間：FTsu = Tdin + Tsu – Tclk；
（2） FPGA保持時間：FTh = Th + Tclk。
（3） FPGA傳輸數(shù)據(jù)時間：FTco = Tclk + Tco + Tout；
由上分析當(dāng)FPGA成為一個系統(tǒng)后就可以進(jìn)行IO時序分析了。FPGA模型變?yōu)槿缦聢D所示，為FPGA系統(tǒng)參數(shù)：
1.3?輸入最大最小延時
外部器件發(fā)送數(shù)據(jù)到FPGA系統(tǒng)模型如圖1.3所看到的。
對FPGA的IO口進(jìn)行輸入最大最小延時約束是為了讓FPGA設(shè)計工具可以盡可能的優(yōu)化從輸入port到第一級寄存器之間的路徑延遲，使其可以保證系統(tǒng)時鐘可靠的採到從外部芯片到FPGA的信號。下圖為FPGA數(shù)據(jù)輸入模型：
輸入延時即為從外部器件發(fā)出數(shù)據(jù)到FPGA輸入port的延時時間。
當(dāng)中包含時鐘源到FPGA延時和到外部器件延時之差、經(jīng)過外部器件的數(shù)據(jù)發(fā)送Tco。再加上PCB板上的走線延時。如圖1.4所看到的，為外部器件和FPGA接口時序。下圖為外部器件和FPGA接口時序：
(1). 最大輸入延時
最大輸入延時（input delay max）為當(dāng)從數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘沿（lanuch edge）經(jīng)過最大外部器件時鐘偏斜（Tclk1），最大的器件數(shù)據(jù)輸出延時（Tco），再加上最大的PCB走線延時（Tpcb）。減去最小的FPGA時鐘偏移（FTsu）的情況下還能保證時序滿足的延時。這樣才能保證FPGA的建立時間，準(zhǔn)確采集到本次數(shù)據(jù)值，即為setup slack必須為正。如圖1.1的所看到的。計算公式如下所示：
Setup slack =（Tclk + Tclk2(min)）–（Tclk1(max)?+Tco(max)?+Tpcb(max)?+FTsu）≥0
推出以下公式：
Tclk1(max)?+ Tco(max)?+ Tpcb(max)?–Tclk2(min)?≤ Tclk + FTsu
由Altera官方數(shù)據(jù)手冊得知：
input delay max = Board Delay?(max)?– Board clock skew?(min)?+ Tco(max)
結(jié)合本系統(tǒng)參數(shù)公式為：
input delay max = Tpcb(max)?– (Tclk2(min)–Tclk1(max)) + Tco(max)
(2).?最小輸入延時
最小輸入延時（input delay min）為當(dāng)從數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘沿（lanuch edge）經(jīng)過最小外部器件時鐘偏斜（Tclk1），最小器件數(shù)據(jù)輸出延時（Tco），再加上最小PCB走線延時（Tpcb），此時的時間總延時值一定要大于FPGA的最大時鐘延時和建立時間之和。這樣才能不破壞FPGA上一次數(shù)據(jù)的保持時間。即為hold slack必須為正，如圖1.1的所看到的，計算公式例如以下式所看到的：
Hold slack=（Tclk1(min)?+ Tco(min)?+ Tpcb(min)）–（FTh + Tclk2(max)）≥ 0
推出例如以下公式：
Tclk1(min)+Tco(min)+Tpcb(min)–Tclk2(max)?≥ FTh
由Altera官方數(shù)據(jù)手冊得知：
input delay max = Board Delay?(min)?- Board clock skew?(min)?+ Tco(min)
結(jié)合本系統(tǒng)參數(shù)公式為
input delay max=Tpcb(min)?– (Tclk2(max)–Tclk1(min)) + Tco(min)
進(jìn)行輸入最大最小延時的計算，我們需要估算4個值：
- 外部器件輸出數(shù)據(jù)通過PCB板到達(dá)FPGAport的最大值和最小值Tpcb，PCB延時經(jīng)驗值為600mil/ns。1mm = 39.37mil；外部器件接收到時鐘信號后輸出數(shù)據(jù)延時的最大值和最小值Tco。時鐘源到達(dá)外部器件的最大、最小時鐘偏斜Tclk1；時鐘源到達(dá)FPGA的最大、最小時鐘偏斜Tclk2；
當(dāng)外部器件時鐘為FPGA提供的時候。Tclk1和Tclk2即合成Tshew，如圖下圖所示，為FPGA輸出時鐘模型：
1.4? 輸出最大最小延時
FPGA輸出數(shù)據(jù)給外部器件模型如下圖所示。對FPGA的IO口進(jìn)行輸出最大最小延時約束是為了讓FPGA設(shè)計工具可以盡可能的優(yōu)化從第一級寄存器到輸出port之間的路徑延遲。使其可以保證讓外部器件能準(zhǔn)確的採集到FPGA的輸出數(shù)據(jù)。下圖為FPGA輸出延時模型：
輸出延時即為從FPGA輸出數(shù)據(jù)后到達(dá)外部器件的延時時間。
當(dāng)中包含時鐘源到FPGA延時和到外部器件延時之差、PCB板上的走線延時以及外部器件的數(shù)據(jù)建立和保持時間。如圖所看到的，為FPGA和外部器件接口時序圖。下圖為FPGA輸出延時：
(1). 最大輸出延時
由Altera官方數(shù)據(jù)手冊得知：
Output delay max = Board Delay (max) – Board clock skew (min) + Tsu
由公式得知。最大輸出延時（output delay max）為當(dāng)從FPGA數(shù)據(jù)發(fā)出后經(jīng)過最大的PCB延時、最小的FPGA和器件時鐘偏斜，再加上外部器件的建立時間。約束最大輸出延時，是為了約束IO口輸出，從而使外部器件的數(shù)據(jù)建立時間。即為setup slack必須為正，計算公式例如以下式所看到的：
Setup slack =（Tclk + Tclk2(min)）–（Tclk1(max)?+FTco(max)?+Tpcb(max)?+Tsu）≥0
推導(dǎo)出例如以下公式：
FTco(max)?+ Tpcb(max)?–（Tclk2(min)?– Tclk1(max)）+Tsu ≤Tclk
再次推導(dǎo)，得到例如以下公式：
FTco(max)?+ Output delay max ≤Tclk
由此可見，約束輸出最大延時。即為通知編譯器FPGA的FTco最大值為多少。依據(jù)這個值做出正確的綜合結(jié)果。
(2).?輸出最小延時
由Altera官方數(shù)據(jù)手冊得知：
Output delay min = Board Delay (min) – Board clock skew (max) –Th
由公式得知，最小輸出延時（output delay min）為當(dāng)從FPGA數(shù)據(jù)發(fā)出后經(jīng)過最小的PCB延時、最大的FPGA和器件時鐘偏斜，再減去外部器件的建立時間。約束最小輸出延時，是為了約束IO口輸出。從而使IO口輸出有個最小延時值，防止輸出過快，破壞了外部器件上一個時鐘的數(shù)據(jù)保持時間。導(dǎo)致hlod slack為負(fù)值。不能正確的鎖存到數(shù)據(jù)。最小輸出延時的推導(dǎo)計算公式例如以下式所看到的：
Hold slack = （Tclk1(min)?+ FTco(min)?+ Tpcb(min)）–（Th + Tclk2(max)）≥ 0
推導(dǎo)出例如以下公式：
FTco(min)?+ Tpcb(min)?– （Tclk2(max)?– Tclk1(min)）– Th ≥ 0
再次推導(dǎo)，得出例如以下公式：
FTco(min)?+ Output delay min ≥ 0
由公式得知，約束輸出最大延時，即為通知編譯器FPGA的FTco最小值為多少。依據(jù)這個值做出正確的綜合結(jié)果。
由公式得知，進(jìn)行輸出最大最小延時的計算，我們需要估算4個值：
- FPGA輸出數(shù)據(jù)通過PCB板到達(dá)外部器件輸入port的最大值和最小值Tpcb，PCB延時經(jīng)驗值為600mil/ns，1mm = 39.37mil。時鐘源到達(dá)外部器件的最大、最小時鐘偏斜Tclk2；時鐘源到達(dá)FPGA的最大、最小時鐘偏斜Tclk1；外部器件的建立時間Tsu和保持時間Th；
當(dāng)外部器件時鐘為FPGA提供的時候，Tclk1和Tclk2即合成Tshew。如下圖所示，為FPGA提供時鐘模型：
1.5 使用范圍
通過作者使用總結(jié)情況，IO口時序約束主要使用在下面情況：
1.?數(shù)據(jù)交換頻率較高
因為IO時序約束一般計算值都是在幾納秒。當(dāng)FPGA和外部數(shù)據(jù)交換頻率較低，如FPGA操作640*480的TFT液晶進(jìn)行刷屏，傳輸數(shù)據(jù)頻率只24Mhz，一個數(shù)據(jù)時鐘都有41.666ns，全然不用約束都能滿足時序要求。
可是當(dāng)操作SDRAM執(zhí)行到120M時候，因為一個數(shù)據(jù)變換周期才8ns。因此IO口的少量延時都會影響到SDRAM數(shù)據(jù)。因此這樣的情況下需要對輸入輸出進(jìn)行完整的IO口時序約束。而且分析正確，才干消除傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定過的情況。
2.代碼已經(jīng)比較優(yōu)化
當(dāng)數(shù)據(jù)交換頻率較高，可是時序約束還是不滿足時序要求的時候。我們都需要對代碼進(jìn)行分析，好的時序都是設(shè)計出來的，不是約束出來的。如程序清單 1.1所看到的。首先hcount_r 和vcount_r 都為10位計數(shù)器，這種代碼TFT的三色輸出的port就會有非常大的延時。由于dat_act的膠合邏輯太多。輸出路徑太長導(dǎo)致。
這種情況下應(yīng)該不是首先做時序約束，應(yīng)該改動代碼，盡量做到寄存器直接輸出。僅僅有當(dāng)代碼比較優(yōu)化的情況，再做時序約束這樣才干得到較好的結(jié)果。
演示樣例程序如下：
assign dat_act = ((hcount_r >= hdat_begin) && (hcount_r < hdat_end))?&&?((vcount_r?>=?vdat_begin)?&&?(vcount_r?<?vdat_end));assign tft_r = (dat_act) ? {rgb16_dat[15:11], 3'b111} : 8'h00;assign tft_g = (dat_act) ?{rgb16_dat[10:5], 3'b111} : 8'h00;assign tft_b = (dat_act) ? {rgb16_dat[4:0], 3'b111} : 8'h00;
1.6? 總結(jié)
本篇主要是對FPGA的IO口時序約束進(jìn)行對應(yīng)的分析，并未做實際的使用分析，興許以后將會結(jié)合軟件，以及實際案例對IO口時序約束進(jìn)行具體的使用介紹。最后附上一個Altera官方的IO時序約束分析樣例。如圖下圖所示，為Altera官方例程：
FPGA設(shè)計過程中所遇到的路徑有輸入到觸發(fā)器，觸發(fā)器到觸發(fā)器，觸發(fā)器到輸出，例如下圖所示，下圖就是典型的同步時序路徑：
二、 應(yīng)用背景
靜態(tài)時序分析簡稱STA，它是一種窮盡的分析方法。它依照同步電路設(shè)計的要求。依據(jù)電路網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計算并檢查電路中每個DFF（觸發(fā)器）的建立和保持時間以及其它基于路徑的時延要求是否滿足。
STA作為FPGA設(shè)計的主要驗證手段之中的一個，不需要設(shè)計者編寫測試向量，由軟件自己主動完畢分析，驗證時間大大縮短，測試覆蓋率可達(dá)100%。
靜態(tài)時序分析的前提就是設(shè)計者先提出要求，然后時序分析工具才會依據(jù)特定的時序模型進(jìn)行分析，給出正確是時序報告。
進(jìn)行靜態(tài)時序分析。主要目的就是為了提高系統(tǒng)工作主頻以及添加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
對非常多數(shù)字電路設(shè)計來說，提高工作頻率非常重要，由于高工作頻率意味著高處理能力。通過附加約束能夠控制邏輯的綜合、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。
三、理論分析
1. 靜態(tài)時序分析的理論基礎(chǔ)知識
在進(jìn)行正確的時序分析前。我們必須具備主要的靜態(tài)時序的基本知識點，不然看著編譯器給出的時序分析報告宛如天書。如圖所示，為libero軟件給出的寄存器到寄存器模型的時序分析報告的截取，接下來我們會弄清楚每一個欄目的數(shù)據(jù)變量的含義以及計算方法。
下圖為libero靜態(tài)時序分析報告：
1.1 固定參數(shù) launch edge、latch edge、Tsu、Th、Tco概念
(1). launch edge
時序分析起點（launch edge）：第一級寄存器數(shù)據(jù)變化的時鐘邊沿，也是靜態(tài)時序分析的起點。
(2). latch edge
時序分析終點（latch edge）：數(shù)據(jù)鎖存的時鐘邊沿，也是靜態(tài)時序分析的終點。
(3). Clock Setup Time (Tsu)
建立時間（Tsu）：是指在時鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時間，假設(shè)建立的時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。如 下圖所示，下圖為建立時間圖解：
(4). Clock Hold Time (Th)
保持時間（Th）：是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時間。假設(shè)保持時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)相同也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。保持時間示意圖如下圖所示，下圖為保持時間圖解：
(5). Clock-to-Output Delay（tco）
數(shù)據(jù)輸出延時（Tco）：這個時間指的是當(dāng)時鐘有效沿變化后，數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端的最小時間間隔。
1.2?Clock skew
時鐘偏斜（clock skew）：是指一個時鐘源到達(dá)兩個不同寄存器時鐘端的時間偏移。如下圖所示，下圖為時鐘偏斜：
時鐘偏斜計算公式如下：Tskew = Tclk2 -Tclk1
1.3?Data Arrival Time
數(shù)據(jù)到達(dá)時間（Data Arrival Time）：輸入數(shù)據(jù)在有效時鐘沿后到達(dá)所需要的時間。主要分為三部分：時鐘到達(dá)寄存器時間（Tclk1），寄存器輸出延時（Tco）和傳輸數(shù)據(jù)延時（Tdata），如下圖所示，為數(shù)據(jù)到達(dá)的時間：
數(shù)據(jù)到達(dá)時間計算公式如下：Data Arrival Time = Launch edge?+ Tclk1 +Tco + Tdata
1.4?Clock Arrival Time
時鐘到達(dá)時間（Clock Arrival Time）：時鐘從latch邊沿到達(dá)鎖存寄存器時鐘輸入端所消耗的時間為時鐘到達(dá)時間，如下圖所示，為時鐘到達(dá)時間：
時鐘到達(dá)時間計算公式如下：Clock Arrival Time = Lacth edge + Tclk2
1.5?Data Required Time（setup/hold）
數(shù)據(jù)需求時間（Data Required Time）：在時鐘鎖存的建立時間和保持時間之間數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，從源時鐘起點達(dá)到這樣的穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間即為數(shù)據(jù)需求時間。如下圖所示，為數(shù)據(jù)需求時間：
（建立）數(shù)據(jù)需求時間計算公式例如以下：Data Required Time = Clock Arrival Time - Tsu
（保持）數(shù)據(jù)需求時間計算公式例如以下：Data Required Time = Clock Arrival Time?+ Th
1.6 Setup slack
建立時間余量（setup slack）：當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，就說時間有余量，Slack是表示設(shè)計是否滿足時序的一個稱謂。下圖為建立時間余量：
建立時間余量的計算公式例如以下：Setup slack = Data Required Time - Data Arrival Time
由公式可知。正的slack表示數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間，滿足時序（時序的余量）。負(fù)的slack表示數(shù)據(jù)需求時間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時間，不滿足時序（時序的欠缺量）。
1.7 時鐘最小周期
時鐘最小周期：系統(tǒng)時鐘能執(zhí)行的最高頻率。
- 當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，時鐘具有余量；當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，不滿足時序要求，寄存器經(jīng)歷亞穩(wěn)態(tài)或者不能正確獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間等于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時。這是最小時鐘執(zhí)行頻率。剛好滿足時序。
從以上三點能夠得出最小時鐘周期為數(shù)據(jù)到達(dá)時間等于數(shù)據(jù)需求時間的運算公式如下：Data Required Time?= Data Arrival Time
由上式推出如下公式：
Tmin + Latch edge + Tclk2 - Tsu = Launch edge + Tclk1 + Tco + Tdata
最后推出最小時鐘周期為：
Tmin = Tco + Tdata + Tsu - Tskew
四、應(yīng)用分析
1. 設(shè)置時鐘主頻約束
全部的靜態(tài)時序分析都是在有約束的情況下編譯器才給出分析報告，所以進(jìn)行時序分析的第一步就是設(shè)置約束。
Libero軟件設(shè)置時鐘約束的途徑三種，單時鐘約束，多時鐘約束和在Designer里面進(jìn)行約束。
1.1 單時鐘約束
有時我們系統(tǒng)全部模塊都採用同一個時鐘，這樣的方式最為簡單，直接在Synplify主界面上有個設(shè)置時鐘約束的。如下圖紅框所看到的，下圖為單時鐘設(shè)置：
設(shè)置完畢后，編譯。通過Synplify時鐘報告看初步時鐘執(zhí)行頻率是否能達(dá)到要求，時鐘報告如圖4.2所看到的，設(shè)定100Mhz，能執(zhí)行102.7Mhz。滿足時序。下圖為時序報告：
1.2?時鐘約束
當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部模塊採用了多個時鐘時。那就需要進(jìn)行多時鐘約束了。
首先需要打開設(shè)置界面。在Synplify中選擇：File->New->Constraint File建立SDC文件，選擇時鐘約束如下圖所示，為多時鐘約束：
對時鐘進(jìn)行例如以下約束后保存SDC文件，約束如下圖所示，為多時鐘約束完畢：
1.2?Designer SmartTime時鐘約束
時鐘約束除了在Synplify中能夠約束外。還能夠在Designer SmartTime中設(shè)置時鐘約束，打開Designer Constraint，選擇Clock進(jìn)行針對每一個使用時鐘的設(shè)置，如下圖所示，為Designer時序約束：
1.3?時序報告分析
（1）Synplify時序報告
當(dāng)約束了時序后，需要觀察時序報告，看時鐘是否能達(dá)到我們需要的時鐘，首先觀察Synplify綜合報告。以多時鐘約束為樣例，從Synplify得到的時序報告如下圖所示，為多時鐘約束時序報告：
由上圖可知時序都滿足約束，未出現(xiàn)違規(guī)。能夠在以下的報告中查看最差路徑，如圖4.7所看到的是clk2的最差路徑。下圖為最差路徑：
（2）Designer SmartTime時序分析報告
當(dāng)設(shè)計經(jīng)過Synplify綜合給出網(wǎng)表文件后，還須要Designer進(jìn)行布局布線，通過布局布線優(yōu)化后的時序會有變化，因此，還須要分析布局布線后的時序，打開Designer->Timing Analyzer查閱總體時序分析報告如下圖所示，為布局布線后時序報告：
由Synplify綜合后的報告和Designer進(jìn)行布局布線后的報告能夠看出。布局布線后優(yōu)化了一些時序。特別是clk2時鐘，通過布局布線后優(yōu)化到了184Mhz，全然滿足時序。
（3）具體時序報告圖
通過Synplify綜合后的和Designer進(jìn)行布局布線都僅僅是看到了一個大體的時序報告。當(dāng)我們需要分析時序時候必須觀察細(xì)致的時序報告，在SmartTime中提供這樣的報告功能，以clk2分析為例，在Timing Analyzer找到例如以下區(qū)域，下圖為?時序報告選擇。
如上圖所示，選擇寄存器到寄存器進(jìn)行分析時鐘主頻。寄存器到寄存器分析。
如上圖所示，時序報告中給出了數(shù)據(jù)延時。時序余量，數(shù)據(jù)到達(dá)時間，數(shù)據(jù)需求時間。數(shù)據(jù)建立時間，以及最小周期和時鐘偏斜等信息，有了上一節(jié)的時序分析基礎(chǔ)知識，我們?nèi)荒芸炊@些數(shù)據(jù)代表的意義。這樣對我們時序分析就知己知彼，進(jìn)一步雙擊當(dāng)中一條路徑，還會給出這條路徑的硬件電路圖，如下圖硬件電路圖所示。有了這些具體的時序報告。對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整更加清晰。
下載ECAD模型
