FPGA設(shè)計-時序約束（理論篇）

STA：Static Timing Analysis

STA（Static Timing Analysis，即靜態(tài)時序分析）在實(shí)際FPGA設(shè)計過程中的重要性是不言而喻的，其作用是：

1. 幫助分析和驗(yàn)證一個FPGA設(shè)計的時序是否符合要求；

2. 指導(dǎo)fitter（布線綜合器）布局布線出符合要求的結(jié)果；

簡單地說，靜態(tài)時序分析（STA）告訴我們電路的實(shí)際表現(xiàn)如何，而提供約束（SDC文件，即上面的要求）來告訴分析工具我們希望電路的表現(xiàn)應(yīng)該是怎樣。Quartus II自帶的STA工具TimeQuest TA在整個FPGA設(shè)計過程中的使用流程如下圖所示：

圖 1 TimeQuest TA使用流程

簡而言之，我們需要學(xué)會：

A． 正確理解時序，看背景知識介紹

B． 正確編寫SDC文件，以及利用TimeQuest TA生成SDC約束命令，SDC介紹

C． 利用TimeQuest TA來查看和驗(yàn)證時序

一、 背景知識介紹：

1.1 啟動沿（launch）和鎖存沿（latch）：

圖 2 啟動沿和鎖存沿

啟動沿：數(shù)據(jù)被launch的時鐘邊沿；也就是說，每一個啟動沿，一般都會產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)！

鎖存沿：數(shù)據(jù)被latch的時鐘邊沿；也就是說，每一個鎖存沿，都會有一個新的數(shù)據(jù)被保存！

對于如上圖所示的級聯(lián)的寄存器電路而言（忽略上一級觸發(fā)器輸出到下一級觸發(fā)器輸入之間的邏輯關(guān)系），一般藍(lán)色的上升沿作為第一個觸發(fā)器的啟動沿，而紅色的上升沿（一般都是緊跟著啟動沿后的有效邊沿）。所以說：藍(lán)色的啟動沿之后由REG1輸出有效數(shù)據(jù)，并在紅色的邊沿被鎖存進(jìn)REG2并輸出到下級。

1.2 建立（setup）和保持（hold）時間

圖 3 建立和保持時間

上述的鎖存沿會將數(shù)據(jù)保存下來，但是必須要滿足一定的條件：

建立時間Tsu：在時鐘有效沿之前，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的最小時間；

保持時間Th：在時鐘有效沿之后，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的最小時間；

這就相當(dāng)于一個窗口時間，在有效邊沿的窗口時間內(nèi)，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定；這里的時鐘信號時序和數(shù)據(jù)信號時序，都是寄存器實(shí)際感受到的時序；什么事實(shí)際感受到的，下面會繼續(xù)分析；

1.3 數(shù)據(jù)到達(dá)時間（DAT：data arrival time）

所有的信號在FPGA內(nèi)部傳播都會有延時，包括時鐘信號、數(shù)據(jù)信號（實(shí)際上不該如此可以的區(qū)分這兩種信號，在一定條件下，這兩個信號可能可以相互轉(zhuǎn)換，這個是題外話了），也就是說，從信號的發(fā)出點(diǎn)到信號的接收點(diǎn)，會存在一個延時，這個延時可能是因?yàn)镕PGA內(nèi)部空間分布所致，也有可能是因?yàn)榻M合邏輯造成，這里不再深究；

圖 4 數(shù)據(jù)到達(dá)時間示意圖

正如上圖所示，在計算數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，一般都會存在3個延時：

1. Tclk1:時鐘信號從起點(diǎn)（一般是PLL輸出或者時鐘輸入引腳）到達(dá)啟動寄存器（或說啟動觸發(fā)器）的相應(yīng)clk端口所耗的時間；假如CLK是由PLL發(fā)出的時鐘信號（稱之為源時鐘），這個信號經(jīng)過FPGA內(nèi)部的“連線”最終來到了REG1（啟動觸發(fā)器）的clk端，所以此時在REG的clk1處也會有周期性的時鐘信號REG1.CLK(如圖所示)；可以看到，此時的CLK（源時鐘）和REG1.CLK實(shí)際上有個（相位差）時間差，這個時間差就是Tclk1；

2. Tco：啟動寄存器內(nèi)部延時，是寄存器REG1感受到有效的上升沿后，到數(shù)據(jù)真正從從REG1的Q輸出之間延時；請注意：上述所謂的有效的上升沿，就是REG1.CLK，而不是CLK；所以實(shí)際的有效數(shù)據(jù)輸出的時序如上圖的REG1.Q;

3. Tdata：數(shù)據(jù)從上級寄存器輸出Q（經(jīng)過所有其他組合邏輯以及FPGA內(nèi)部走線）到下級寄存器的數(shù)據(jù)輸入D之間的延時；如圖所示，數(shù)據(jù)從從REG1的Q流向了REG2的D，所以REG2.D實(shí)際感受到的數(shù)據(jù)時序是REG2.D；

假如將上圖中的launch Edge作為時間0點(diǎn)，將一些列的延時累加，所得結(jié)果稱之為數(shù)據(jù)到達(dá)時間，DAT：

DAT=啟動沿+Tclk1+Tco+Tdata；

1.4 數(shù)據(jù)建立需要時間（DRTsu：data require time (setup)）

圖 5 數(shù)據(jù)建立需要時間

分析方法同上，需要計算數(shù)據(jù)建立時間，也需要兩個延時：

1. Tclk2，不同于上述的Tclk1，這個延時是時鐘從起點(diǎn)（一般是PLL或者時鐘輸入引腳）到鎖存觸發(fā)器之間的延時；如上圖所示，REG2實(shí)際感受到的時鐘來自于其本身的clk引腳，而不是源時鐘CLK,他們之間存在一個延時，即Tclk2；所以REG2實(shí)際感受到的時鐘，實(shí)際上是上圖的REG2.CLK；

2. Tsu:上面分析過了，每一個數(shù)據(jù)被鎖存都要滿足建立時間和保持時間，Tsu就是建立時間，也就是在REG2實(shí)際感受到Latch Edge時，數(shù)據(jù)如果需要被正確鎖存，就必須提前Tsu的時間來到REG2的D；

綜合時鐘走線延時Tclk2以及Tsu，我們得到了數(shù)據(jù)建立時間DRTsu：

DRTsu=鎖存沿+Tclk2-Tsu。

也就是說在DRTsu時刻之前，數(shù)據(jù)必須已經(jīng)有效且穩(wěn)定

1.5 數(shù)據(jù)保持需要時間（DRTh：data require time (hold)）

圖 6 數(shù)據(jù)保持需要時間

即DRTh=鎖存沿+Tclk2+Th；

也就是說，數(shù)據(jù)在DRTh時間之前必須保持住不變；

1.6 建立時間裕量（Setup Slack）

建立時間裕量指的是數(shù)據(jù)到達(dá)時間和數(shù)據(jù)建立需要時間之間的關(guān)系：

圖 7 建立時間裕量

如上圖所示，在0時刻（Launch edge）,源時鐘CLK說，“啊，我要產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)”，但是這個命令（啟動沿）并沒有馬上傳達(dá)到REG1，而是有個延時Tclk1。所以在Tclk1時刻，REG1終于聽到了（感受到了有效的時鐘上升沿，就是啟動沿）老大的命令，就開始準(zhǔn)備，他憋了一會兒，又延時了Tco，終于產(chǎn)生了數(shù)據(jù)（REG1.Q上有了valid data）;這個有效數(shù)據(jù)也是慢吞吞的來到了他的終點(diǎn)，又浪費(fèi)了Tdata。最終在Tclk1+Tco+Tdata時間后，REG2得到了這個數(shù)據(jù)；別以為REG2得到這個數(shù)據(jù)就完事了，REG2也是個傲嬌的娃，怎么個傲嬌法，下面繼續(xù)分析；老大CLK在0時刻發(fā)送了啟動沿之后，休息了一個時鐘周期，在Latch edge時突然想起來，剛才讓REG1發(fā)出的數(shù)據(jù)，REG2要接受啊，不然就浪費(fèi)了，于是乎他又對REG2下達(dá)了命令，新數(shù)據(jù)要來了，準(zhǔn)備好接受！但是這個命令也不是馬上就到了REG2的耳中，而是經(jīng)過了Tclk2的時間。等到REG2接收到命令后（實(shí)際感受到了有效的Latch Edge），他就看看自己家門口沒有數(shù)據(jù)已經(jīng)來了（檢查REG2.D是否有數(shù)據(jù)），同時要看看這個數(shù)據(jù)是不是符合他的胃口的（滿足鎖存的條件），他要求數(shù)據(jù)必須在他接收到老大命令的時候已經(jīng)等了Tsu時間（數(shù)據(jù)建立時間），由要求這個數(shù)據(jù)在他家門口不能早退，必要再保持Th時間（數(shù)據(jù)保持），如果都滿足了，REG2就開心的接受了這個數(shù)據(jù)，反之，他就會覺得，REG1準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)太懶惰了（沒有提前Tsu時間到達(dá)），又或者性子太急（沒有多逗留th），一概不收！

所以這里涉及到兩個要求，第一個就是建立時間裕量：

正如上圖所示Setup Slack=DRTsu-DAT。

如果Setup Slack為正，則說明數(shù)據(jù)在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到了目標(biāo)。反之，則認(rèn)為數(shù)據(jù)并沒有在規(guī)定的時間達(dá)到目標(biāo)，此時REG2鎖存的數(shù)據(jù)很有可能是亞穩(wěn)態(tài)；

1.7 保持時間裕量（hold slack）

圖 8保持時間裕量

如上所述，hold slack = DAT – DRTh

如果為正，則認(rèn)為數(shù)據(jù)在被鎖存的時候有足夠多的穩(wěn)定時間，是有效的。反之則認(rèn)為數(shù)據(jù)有誤或者數(shù)據(jù)可能是亞穩(wěn)態(tài)；

小結(jié)：

理解了上面的7個概念，就明白了：如果時鐘頻率過快或者數(shù)據(jù)延時太大，都會導(dǎo)致錯誤的時序。在FPGA內(nèi)部寄存器到內(nèi)部寄存器之間，所有的延時都是建立在時序模型上的，如slow和fast，這些模型從兩個極端工作情況來分析FPGA能否正常工作；只要滿足這兩個工況，則FPGA在其他環(huán)境下都能滿足時序！

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審核編輯：劉清