FPGA知識匯集-FPGA系統(tǒng)時序理論

時序約束條件

下面來具體討論一下系統(tǒng)時序需要滿足的一些基本條件。我們?nèi)匀灰韵聢D的結(jié)構(gòu)為例，并可以據(jù)此畫出相應的時序分析示意圖。

在上面的時序圖中，存在兩個時序環(huán)，我們稱實線的環(huán)為建立時間環(huán)，而虛線的環(huán)我們稱之為保持時間環(huán)。可以看到，這兩個環(huán)都不是閉合的，缺口的大小就代表了時序裕量的多少，因此設計者總希望盡可能增大這個缺口。同時還要注意到，每個環(huán)上的箭頭方向不是一致的，而是朝著正反兩個方向，因為整個系統(tǒng)時序是以時鐘上升沿為基準的，所以我們時序環(huán)的起點為系統(tǒng)時鐘clk in的上升沿，而所有箭頭最終指向接收端的控制時鐘CLKC的邊沿。

先來分析建立時間環(huán)：

缺口的左邊的半個時序環(huán)代表了從第一個系統(tǒng)時鐘上升沿開始，直到數(shù)據(jù)傳輸至接收端的總的延時，我們計為數(shù)據(jù)延時，以Tdata_tot表示：

Tdata_tot=Tco_clkb+Tflt_clkb +Tco_data +Tflt_data

上式中：Tco_clkb是系統(tǒng)時鐘信號CLKB在時鐘驅(qū)動器的內(nèi)部延遲；Tflt_ clkb 是CLKB從時鐘驅(qū)動器輸出后到達發(fā)送端（CPU）觸發(fā)器的飛行時間；Tco_data是數(shù)據(jù)在發(fā)送端的內(nèi)部延遲；Tflt_data是數(shù)據(jù)從發(fā)送端輸出到接收端的飛行時間。

從CLKC時鐘邊沿的右邊半個時序環(huán)代表了系統(tǒng)時鐘到達接收端的總的沿時，我們計為時鐘延時，以Tclk_tot表示：

Tclk_tot =Tcycle +Tco_clka +Tflt_clka – Tjitter

其中，Tcycle是時鐘信號周期；Tco_clka 是系統(tǒng)時鐘信號CLKA（第二個上升沿）在時鐘驅(qū)動器的內(nèi)部延遲；Tflt_clka是時鐘信號從時鐘驅(qū)動器輸出到達接收端觸發(fā)器的飛行時間；Tjitter是時鐘的抖動誤差。

因此我們可以根據(jù)建立時間裕量的定義，得到：

Tsetup_margin = Tclk_tot – Tdata tot – Tsetup

將前面的相應等式帶入可得：

Tsetup_magrin = Tcycle + Tco_clka + Tflt_clka – Tjitter – Tco_clkb – Tflt_clkb – Tco_data – Tflt_data – Tsetup

我們定義時鐘驅(qū)動器（PLL）的兩個時鐘輸出之間的偏移為Tclock_Skew ，兩根CLOCK走線之間的時鐘偏移為TPCB_Skew ，即：

Tclock_Skew = Tco_clkb - Tco_clka；

TPCB_Skew = Tflt_clkb - Tflt_clka

這樣就可以得到建立時間裕量的標準計算公式：

Tsetup_magrin =Tcycle – TPCB_skew –Tclock_skew –Tjitter – Tco_ data -Tflt_data-Tsetup （1.6.1）

再來看保持時間環(huán)：

對照上圖，我們可以同樣的進行分析：

Tdata_delay = Tco_clkb + Tflt_clkb + Tco_data + Tflt_data

Tclock delay = Tco_clka + Tflt_clka

于是可以得出保持時間裕量的計算公式：

Thold margin = Tdata_delay – Tclock_dalay – Thold_time

即： Thold margin = Tco_data + Tflt_data + Tclock_skew + Tpcb_skew – Thold （1.6.2）

可以看到，式1.6.2中不包含時鐘抖動Jitter的參數(shù)。這是因為Jitter是指時鐘周期間（Cycle to Cycle）的誤差，而保持時間的計算和時鐘周期無關(guān)。

對于任何時鐘控制系統(tǒng)，如果要能保證正常工作，就必須使建立時間余量和保持時間裕量都至少大于零，即Tsetup marin 》0；Thold margin 》0，將公式1.6.1和1.6.2分別帶入就可以得到普通時鐘系統(tǒng)的時序約束條件不等式：

TPCB_skew +Tclock_skew +Tjitter + Tco_data + Tflt_data+Tsetup《 Tcycle （1.6.3）

Tco_data + Tflt_data + Tclock_skew + Tpcb_skew 》 Thold （1.6.4）

需要注意的是：

1． 數(shù)據(jù)在發(fā)送端的內(nèi)部延時Tco_data可以從芯片的datasheet查到，這個值是一個范圍，在式1.6.3中取最大值，在式1.6.4中取最小值。

2．數(shù)據(jù)在傳輸線上的飛行時間Tflt_data在實際計算中應該取最大/最小飛行時間參數(shù)，在式1.6.3中取最大飛行時間，在式1.6.4中取最小飛行時間。

3． 時鐘的偏移TPCB_skew和Tclock_skew也是一個變化的不確定參數(shù)，一般為+/-N ps，同樣，在建立時間約束條件1.6.3中取+Nps，而在保持時間約束條件1.6.4中取-Nps。

從上面的分析可以看到，對于PCB設計工程師來說，保證足夠穩(wěn)定的系統(tǒng)時序最有效的途徑就是盡量減小PCB skew和信號傳輸?shù)娘w行時間，而其它的參數(shù)都只和芯片本身的性能有關(guān)。實際中經(jīng)常采取的措施就是嚴格控制時鐘和數(shù)據(jù)的走線長度，調(diào)整合理的拓補結(jié)構(gòu)，并盡可能減少信號完整性帶來的影響。然而，即便我們已經(jīng)考慮的很周全，普通時鐘系統(tǒng)的本身的設計瓶頸始終是無法打破的，也就是建立時間的約束，我們在盡可能減少由PCB布線引起的信號延遲之外，器件本身的特性如Tco、Jitter、TSetup等等將成為最主要的制約因素，盡管我們可以通過提高工藝水平和電路設計技術(shù)來不斷提高數(shù)字器件的性能，但得到的效果也僅僅是在一定范圍之內(nèi)提升了系統(tǒng)的主頻，在頻率超過300MHz的情況下，我們將不得不放棄使用這種普通時鐘系統(tǒng)設計。

審核編輯 ：李倩