如何利用FPGA進行時序分析設(shè)計

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。對于時序如何用FPGA來分析與設(shè)計，本文將詳細(xì)介紹。

基本的電子系統(tǒng)如圖 1所示，一般自己的設(shè)計都需要時序分析，如圖 1所示的Design，上部分為時序組合邏輯，下部分只有組合邏輯。而對其進行時序分析時，一般都以時鐘為參考的，因此一般主要分析上半部分。在進行時序分析之前，需要了解時序分析的一些基本概念，如時鐘抖動、時鐘偏斜（Tskew）、建立時間（Tsu）、保持時間（Th）等。時序分析也就是分析每一個觸發(fā)器（寄存器）是否滿足建立時間/保持時間，而時序的設(shè)計的實質(zhì)就是滿足每一個觸發(fā)器的建立時間/保持時間的要求。

圖 1 基本的電子系統(tǒng)

一、時鐘抖動和時鐘偏斜

1. 時鐘抖動

時鐘信號邊沿變化的不確定時間稱為時鐘抖動，如圖 2所示。一般情況下的時序分析是不考慮時鐘抖動，如果考慮時鐘抖動，則建立時間應(yīng)該是Tsu+T1，保持時間應(yīng)該是Th+T2。

圖 2 時鐘抖動時序圖

2. 時鐘偏斜

時序偏斜分析圖如圖 3所示。時鐘的分析起點是源寄存器（Reg1），終點是目標(biāo)寄存器（Reg2）。時鐘在圖中的結(jié)構(gòu)中傳輸也會有延遲，時鐘信號從時鐘源傳輸?shù)皆醇拇嫫鞯难訒r為Tc2s，傳輸?shù)侥繕?biāo)寄存器的延時為Tc2d。時鐘網(wǎng)絡(luò)的延時為Tc2s與Tc2d之差，即Tskew=Tc2d-Tc2s。

圖 3 時鐘偏斜時序圖

二、建立時間和保持時間

建立時間（Setup Time）常用Tsu表示，指的是在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)和使能信號穩(wěn)定不變的時間，如果建立時間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被打入觸發(fā)器，使能信號無效，也就是說在這個時鐘周期對數(shù)據(jù)的操作時無效的；保持時間（Hold Time）常用Th表示，指的是在觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)和使能信號穩(wěn)定不變的時間，如果保持時間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器，對數(shù)據(jù)的操作同樣是無效的，使能信號無效。數(shù)據(jù)要能穩(wěn)定傳輸，就必須滿足建立時間和保持時間的關(guān)系，圖 4標(biāo)識了它們間的關(guān)系。

圖 4 建立時間/操持時間的概念

三、發(fā)送沿和捕獲沿

（1） 發(fā)送沿（Launch Edge）：前級寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的時鐘沿，是時序分析的起點；

（1） 捕獲沿（Latch Edge）：后記寄存器捕獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時鐘沿，是時序分析的終點。相對于launch Edge通常為一個時鐘周期，但不絕對，如多周期。

“信號跳變抵達窗口”：對latch寄存器來說，從previous時鐘對應(yīng)的Hold Time開始，到current 時鐘對應(yīng)的Setup Time 結(jié)束。

“信號電平采樣窗口”：對latch寄存器來說，從current時鐘對應(yīng)的Setup Time開始，到current時鐘對應(yīng)的Hold Time結(jié)束。

launch寄存器必須保證驅(qū)動的信號跳變到達latch寄存器的時刻處于“信號跳變抵達窗口”內(nèi)，才能保證不破壞latch寄存器的“信號電平采樣窗口”。

圖 5 Launch Edge和Latch Edge

四、數(shù)據(jù)和時鐘的時序分析

如圖 6所示，為分析建立時間/保持時間的基本電路圖。Tclk1為Reg1的時鐘延時，Tclk2為Reg2的時鐘延時，Tco為Reg1固有延時，Tdata為Reg1的到Reg2之間組合邏輯的延時，Tsu為Reg2的建立時間，Th為Reg2的保持時間，設(shè)時鐘clk周期為T，這里分析數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間。

圖 6 基本電路圖

1、建立時間的分析

如圖 7所示，建立時間的分析是以第一個launch Edge為基準(zhǔn)，在Latch Edge查看結(jié)果。建立時間的裕量（T為時鐘周期）：

Setup Stack = （T+Tclk2） – Tsu – （Tclk1+Tco+Tdata）

假設(shè)△T = Tclk2-Tclk1，則：

Setup Stack = （T+△T） – Tsu – （Tco+Tdata）

可見△T < 0影響建立時間，使建立時間的要求更加苛刻。因此對于△T盡量避免，采用同步單時鐘，并且盡量采用全局的時鐘信號，這樣△T幾乎為0，，△T的影響幾乎不存在，可以忽略不計。

如果建立時間的裕量Setup Stack小于0，則不滿足建立時間，也就會產(chǎn)生不穩(wěn)定態(tài)，并通過寄存器傳輸下去。

圖 7 建立時間時序分析圖

2、保持時間的分析

如圖 8所示，保持時間的分析是以第二個launch Edge為基準(zhǔn)，在Latch Edge查看結(jié)果。保持時間的裕量：

Hold Stack = （Tclk1+Tco+Tdata） – Tclk2 – Th

假設(shè)△T = Tclk2-Tclk1，則：

Hold Stack = （Tco+Tdata） – △T – Th

可見△T > 0影響保持時間，使保持時間的要求更加苛刻。。因此對于△T盡量避免，采用同步單時鐘，并且盡量采用全局的時鐘信號，這樣△T幾乎為0，，△T的影響幾乎不存在，可以忽略不計。

如果保持時間的裕量Hold Stack小于0，則不滿足保持時間，也就會產(chǎn)生不穩(wěn)定態(tài)，并通過寄存器傳輸下去。

圖 8 保持時間時序分析圖

五、DT6000S項目實例

DT6000S項目上有4路光以太網(wǎng)接口連接到FPGA，由FPGA進行實現(xiàn)MAC層和解碼IEC61850的SV和GOOSE。以太網(wǎng)PHY通過MII接口和FPGA，因此FPGA與外部的接口有4路MII接口。項目初期是實現(xiàn)1路光以太網(wǎng)接口，并且驗證功能正確之后，但是后期變成的4路光以太網(wǎng)時，總會存在1路光以太網(wǎng)通信不正常。經(jīng)過分析得到是FPGA通MII接口和PHY的時序不滿足。如圖 9所示為MII接口的時序圖，時序不滿足分為TX_CLK和RX_CLK。

其一是PHY輸出的TX_CLK和FPGA依據(jù)TX_CLK產(chǎn)生的TXD［3:0］&TX_EN延時大，主要延時為內(nèi)部邏輯的延時，PCB延時小并且一致，導(dǎo)致PHY的TX_CLK的建立時間不滿足，從而導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤。

其二是PHY輸出的RX_CLK和RXD［3:0］&RX_DV&RX_ER到FPGA內(nèi)部同步觸發(fā)器的延時之差太大，導(dǎo)致FPGA內(nèi)部同步觸發(fā)器的RX_CLK的建立時間不滿足，從而導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯誤。

因此FPGA在綜合時需要添加約束，使之時序滿足要求，約束的條件為TXD［3:0］和TX_EN的輸出延時要少。RX_CLK和RXD［3:0］&RX_DV&RX_ER路徑延時之差要小。添加約束之后，4路MII接口的光以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信就正常了。

圖 9 MII時序圖

這里闡述了時序分析基礎(chǔ)，說明概念的同時進行了時序分析，通過時序分析理解建立時間和保持時間。希望大家閱讀本文之后可以對FPGA時序分析有進一步的了解。