FPGA時(shí)序約束基本理論之時(shí)序路徑和時(shí)序模型

時(shí)序路徑

典型的時(shí)序路徑有4類，如下圖所示，這4類路徑可分為片間路徑（標(biāo)記①和標(biāo)記③)和片內(nèi)路徑（標(biāo)記②和標(biāo)記④）。

對(duì)于所有的時(shí)序路徑，我們都要明確其起點(diǎn)和終點(diǎn)，這4類時(shí)序路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別如下表。

這4類路徑中，我們最為關(guān)心是②的同步時(shí)序路徑，也就是FPGA內(nèi)部的時(shí)序邏輯。

時(shí)序模型

典型的時(shí)序模型如下圖所示，一個(gè)完整的時(shí)序路徑包括源時(shí)鐘路徑、數(shù)據(jù)路徑和目的時(shí)鐘路徑，也可以表示為觸發(fā)器+組合邏輯+觸發(fā)器的模型。

該時(shí)序模型的要求為(公式1)

Tclk ≥ Tco + Tlogic + Trouting + Tsetup - Tskew

其中，Tco為發(fā)端寄存器時(shí)鐘到輸出時(shí)間；Tlogic為組合邏輯延遲；Trouting為兩級(jí)寄存器之間的布線延遲；Tsetup為收端寄存器建立時(shí)間；Tskew為兩級(jí)寄存器的時(shí)鐘歪斜，其值等于時(shí)鐘同邊沿到達(dá)兩個(gè)寄存器時(shí)鐘端口的時(shí)間差；Tclk為系統(tǒng)所能達(dá)到的最小時(shí)鐘周期。

這里我們多說(shuō)一下這個(gè)Tskew，skew分為兩種，positive skew和negative skew，其中positive skew見下圖，這相當(dāng)于增加了后一級(jí)寄存器的觸發(fā)時(shí)間。

但對(duì)于negative skew，則相當(dāng)于減少了后一級(jí)寄存器的觸發(fā)時(shí)間，如下圖所示。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，都會(huì)是positive skew的狀態(tài)，但即便是positive skew，綜合工具在計(jì)算時(shí)序時(shí)，也不會(huì)把多出來(lái)的Tskew算進(jìn)去。

用下面這個(gè)圖來(lái)表示時(shí)序關(guān)系就更加容易理解了。為什么要減去Tskew，下面這個(gè)圖也更加直觀。

發(fā)送端寄存器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Tco、Tlogic、Trouting后到達(dá)接收端，同時(shí)還要給接收端留出Tsetup的時(shí)間。而時(shí)鐘延遲了Tskew的時(shí)間，因此有：（公式2）

Tdata\_path + Tsetup < = Tskew + Tclk

對(duì)于同步設(shè)計(jì)Tskew可忽略(認(rèn)為其值為0)，因?yàn)镕PGA中的時(shí)鐘樹會(huì)盡量保證到每個(gè)寄存器的延遲相同。

公式中提到了建立時(shí)間，那保持時(shí)間在什么地方體現(xiàn)呢？

保持時(shí)間比較難理解，它的意思是reg1的輸出不能太快到達(dá)reg2，這是為了防止采到的新數(shù)據(jù)太快而沖掉了原來(lái)的數(shù)據(jù)。保持時(shí)間約束的是同一個(gè)時(shí)鐘邊沿，而不是對(duì)下一個(gè)時(shí)鐘邊沿的約束。

reg2在邊沿2時(shí)刻剛剛捕獲reg1在邊沿1時(shí)刻發(fā)出的數(shù)據(jù)，若reg1在邊沿2時(shí)刻發(fā)出的數(shù)據(jù)過(guò)快到達(dá)reg2，則會(huì)沖掉前面的數(shù)據(jù)。因此保持時(shí)間約束的是同一個(gè)邊沿。

在時(shí)鐘沿到達(dá)之后，數(shù)據(jù)要保持Thold的時(shí)間，因此，要滿足：（公式3）

Tdata\_path = Tco + Tlogic + Trouting ≥ Tskew + Thold

這兩個(gè)公式是FPGA的面試和筆試中經(jīng)常問(wèn)到的問(wèn)題，因?yàn)檫@種問(wèn)題能反映出應(yīng)聘者對(duì)時(shí)序的理解。

在公式1中，Tco跟Tsu一樣，也取決于芯片工藝，因此，一旦芯片型號(hào)選定就只能通過(guò)Tlogic和Trouting來(lái)改善Tclk。其中，Tlogic和代碼風(fēng)格有很大關(guān)系，Trouting和布局布線的策略有很大關(guān)系。

關(guān)于時(shí)序約束的基本理論就講這么多，下篇講具體的約束。