一文讀懂時(shí)序分析與約束

1.時(shí)序分析與約束

1.1 約束是FPGA設(shè)計(jì)不可或缺的，約束文件分為：

用戶設(shè)計(jì)文件（.UCF），由用戶輸入

網(wǎng)表約束文件（.NCF），綜合生成

物理約束文件（.PCF），實(shí)現(xiàn)生成

約束類型分為：

周期約束、偏移約束、靜態(tài)路徑約束；

1.2 高的工作頻率意味著更加強(qiáng)大的處理能力，但帶來了：時(shí)序沖突的概率變大以及電路的穩(wěn)定性降低，為此必須進(jìn)行時(shí)序、面積和負(fù)載等多方面的約束。

對(duì)于一般的低速設(shè)計(jì)（處理時(shí)鐘不超過50MHz），基本上不需時(shí)序方面的處理。

1.3 時(shí)序分析貫穿整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)，任何階段時(shí)序分析不滿足，都需重新修改代碼或者調(diào)整時(shí)序約束。

2. 動(dòng)態(tài)時(shí)序分析與靜態(tài)時(shí)序分析

動(dòng)態(tài)時(shí)序分析需要仿真條件， 需要輸入向量，著重于邏輯功能；

靜態(tài)時(shí)序分析不需要外部激勵(lì)，著重于時(shí)序性能分析；

靜態(tài)時(shí)序分析在分析過程中計(jì)算時(shí)序路徑上數(shù)據(jù)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和要求時(shí)間的差值，以

判斷是否違反設(shè)計(jì)規(guī)則的錯(cuò)誤，即Slack （時(shí)裕量）= T_required_time（約束時(shí)長） – T_arrival_time （實(shí)際時(shí)延），Slack為正則滿足時(shí)序。

3.時(shí)鐘的時(shí)序特性：偏移（skew）、抖動(dòng)（jitter）、占空比失真（duty cycle distortion）

時(shí)鐘偏移：指同一信號(hào)到達(dá)兩個(gè)不同寄存器之間的時(shí)間差值（原因：兩條時(shí)鐘路徑長度不同） ，在設(shè)計(jì)中主要時(shí)鐘應(yīng)走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)；

時(shí)鐘抖動(dòng)、占空比失真

4.時(shí)序裕量

約束文件要求的時(shí)鐘周期與實(shí)際布局布線后時(shí)鐘周期的差值

5.添加約束原則

先附加全局約束，再補(bǔ)充局部約束。目的是在可能的地方盡量放松約束，提高布線成功概率，減少布局布線時(shí)間。典型的全局約束包括周期約束和偏移約束。

在添加全局時(shí)序約束時(shí)，先根據(jù)時(shí)鐘頻率不同劃分不同的時(shí)鐘域，添加各自的周期約束；然后對(duì)輸入輸出信號(hào)添加偏移約束，對(duì)片內(nèi)邏輯添加附加約束

6.硬件設(shè)計(jì)電路的最高工作頻率

取決于芯片內(nèi)部元件固有的建立時(shí)間和保持時(shí)間，以及同步元件之間的邏輯和布線延遲。即由芯片和代碼共同決定。

7.周期約束

常用的策略是：附加的時(shí)鐘周期約束的時(shí)長為期望值90%.

語法一：Net “信號(hào)名” period = 周期長度 high/low 脈沖持續(xù)時(shí)間

其中high/low指周期內(nèi)第一個(gè)脈沖是高電平還是低電平，脈沖持續(xù)時(shí)間即該 脈沖的持續(xù)時(shí)間。

舉例 Net “clk_100MHz” period = 10 ns High 5ns

指定了信號(hào)clk_100MHz的周期為10ns，搞電平持續(xù)為5ns，該約束將被添加到clk_100MHz所驅(qū)動(dòng)的元件上。

8.偏移約束

規(guī)定了外部時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出管腳之間的相對(duì)時(shí)序關(guān)系，只能用于端口信號(hào)，不能用于內(nèi)部信號(hào)，語法結(jié)構(gòu)：

OFFSET = ［IN|OUT］ “offset_time” ［units］ {BEFORE|AFTER} “clk_name” ［TIMEGRP “group_name”］

［IN|OUT］：說明約束的是輸入還是輸出

offset_time：數(shù)據(jù)與有效時(shí)鐘沿之間的時(shí)間差

［units］：時(shí)間差單位，缺省為ns

{BEFORE|AFTER}：表明該時(shí)間差實(shí)在時(shí)鐘沿之前還是之后

“clk_name”：有效時(shí)鐘名字

［TIMEGRP “group_name”］：用戶添加的分組信號(hào)，缺省時(shí)為時(shí)鐘“clk_name”所能驅(qū)動(dòng)的所有觸發(fā)器

偏移約束通知布局布線器輸入數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻，從而可準(zhǔn)確調(diào)整布局布線的過程，使約束信號(hào)建立時(shí)間滿足要求

舉例：NET “DATA_IN” OFFSET = IN 10 BEFORE “CLK_50MHz”。

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