FPGA高速信號(hào)處理的片外靜態(tài)時(shí)序分析

之前做的一個(gè)超寬帶非均勻采樣系統(tǒng)中遇到的一些問(wèn)題，雖然本文所述方法并未實(shí)際用到并解決遇到的問(wèn)題，但也是給了很大的啟發(fā)和參考，所以今天專(zhuān)門(mén)整理出來(lái)作為備忘。

在高速信號(hào)處理時(shí)的時(shí)許約束不僅僅包括片內(nèi)時(shí)序約束，要想實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的有效傳輸就必須進(jìn)行片外靜態(tài)時(shí)序分析。本文作為在高速信號(hào)處理時(shí)信號(hào)輸入輸出的理論參考，之所以說(shuō)作為理論參考是因?yàn)橛捎诟咚傩盘?hào)處理，具體的一些參數(shù)無(wú)法實(shí)際計(jì)算出來(lái)，只能在理論參考的方向進(jìn)行不斷嘗試。

對(duì)于建立時(shí)間和保持時(shí)間本文就不再過(guò)多敘述，可參考【FPGA】幾種時(shí)序問(wèn)題的常見(jiàn)解決方法-------3，可以說(shuō)在數(shù)字高速信號(hào)處理中最基本的概念就是建立時(shí)間和保持時(shí)間，而我們要做的就是解決亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題和傳輸穩(wěn)定問(wèn)題。

下面就IO口時(shí)序約束分析進(jìn)行原理性的討論，首先在分析時(shí)要考慮的時(shí)序范圍是信號(hào)的兩端（FPGA和另一端器件）、信號(hào)傳輸路徑，三部分，這三部分中信號(hào)傳輸路徑可以包括邏輯器件或者單純外部信號(hào)線路。先將FPGA的建立時(shí)間和保持時(shí)間按照觸發(fā)器的定義方式進(jìn)行一下定義：

如上圖所示：

（1） Tdin為從FPGA的IO口到FPGA內(nèi)部寄存器輸入端的延時(shí)；

（2） Tclk為從FPGA的IO口到FPGA內(nèi)部寄存器時(shí)鐘端的延時(shí)；

（3） Tus/Th為FPGA內(nèi)部寄存器的建立時(shí)間和保持時(shí)間；

（4） Tco為FPGA內(nèi)部寄存器傳輸時(shí)間；

（5） Tout為從FPGA寄存器輸出到IO口輸出的延時(shí)；

FPGA的建立時(shí)間和保持時(shí)間可定義為：

（1） FPGA建立時(shí)間：FTsu = Tdin + Tsu – Tclk；

（2） FPGA保持時(shí)間：FTh = Th + Tclk - Tdin；

（3） FPGA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間：FTco = Tclk + Tco + Tout；

-----------------------------------------------進(jìn)行輸入的最大延遲和最小延遲-----------------------------------------------

有了上述的重新定義的參數(shù)，就可以將FPGA和器件之間的時(shí)序分析按照內(nèi)部分析的模式來(lái)進(jìn)行分析了，對(duì)FPGA的IO口進(jìn)行輸入最大最小延時(shí)約束是為了讓FPGA設(shè)計(jì)工具能夠盡可能的優(yōu)化從輸入端口到第一級(jí)寄存器之間的路徑延遲，使其能夠保證系統(tǒng)時(shí)鐘可靠的采到從外部芯片到FPGA的信號(hào)。

輸入延時(shí)即為從外部器件發(fā)出數(shù)據(jù)到FPGA輸入端口的延時(shí)時(shí)間。其中包括時(shí)鐘源到FPGA延時(shí)和到外部器件延時(shí)之差、經(jīng)過(guò)外部器件的數(shù)據(jù)發(fā)送Tco，再加上PCB板上的走線延時(shí)。如圖1.4所示，為外部器件和FPGA接口時(shí)序。

1，最大輸入延時(shí)

最大輸入延時(shí)（input delay max）為當(dāng)從數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘沿（lanuch edge）經(jīng)過(guò)最大外部器件時(shí)鐘偏斜（Tclk1），最大的器件數(shù)據(jù)輸出延時(shí)（Tco），再加上最大的PCB走線延時(shí)（Tpcb），減去最小的FPGA時(shí)鐘偏移（FTsu）的情況下還能保證時(shí)序滿足的延時(shí)。這樣才能保證FPGA的建立時(shí)間，準(zhǔn)確采集到本次數(shù)據(jù)值，即為setup slack必須為正，計(jì)算公式如下式所示：

Setup slack =（Tclk + Tclk2(min)）–（Tclk1(max) +Tco(max) +Tpcb(max) +FTsu）≥0

推出如下公式：

Tclk1(max) + Tco(max) + Tpcb(max) –Tclk2(min) ≤ Tclk - FTsu

PS：上式中max和min是為了保證傳輸質(zhì)量所必需的條件，如果不加max和min就會(huì)有可能導(dǎo)致系統(tǒng)有些情況不滿足上式，從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸產(chǎn)生錯(cuò)誤。Tclk為同步時(shí)鐘的周期。

可以得出最大輸入時(shí)延表達(dá)式為上述不等式的左半部分而其最大值為上述不等式的右半部份，即：

最大輸入延時(shí)（input delay max） =Tclk - FTsu

歸根結(jié)底就是輸入信號(hào)的各部分時(shí)延必須滿足Tclk1(max) + Tco(max) + Tpcb(max) –Tclk2(min) ≤ Tclk - FTsu這個(gè)公式。但是式中Tco(max)可以通過(guò)對(duì)片外器件延時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，Tclk2(min)也可以通過(guò)時(shí)許約束（offset）或者FPGA內(nèi)部DCM實(shí)現(xiàn)相移等操作。最大最小輸入延時(shí)指的是數(shù)據(jù)的最大輸入延時(shí)，可通過(guò)始終約束其最大輸入延時(shí)來(lái)保證時(shí)序正確。

2，最小輸入延時(shí)

最小輸入延時(shí)（input delay min）為當(dāng)從數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘沿（lanuch edge）經(jīng)過(guò)最小外部器件時(shí)鐘偏斜（Tclk1），最小器件數(shù)據(jù)輸出延時(shí)（Tco），再加上最小PCB走線延時(shí)（Tpcb），此時(shí)的時(shí)間總延時(shí)值一定要大于FPGA的最大時(shí)鐘延時(shí)和建立時(shí)間之和，這樣才能不破壞FPGA上一次數(shù)據(jù)的保持時(shí)間，即為hold slack必須為正，計(jì)算公式如下式所示：

Hold slack = （Tclk1(min) + Tco(min) + Tpcb(min)）–（FTh + Tclk2(max)）≥ 0?

推出如下公式：

Tclk1(min) + Tco(min) + Tpcb(min) – Tclk2(max) ≥ FTh? ??

可以得出最大輸入時(shí)延表達(dá)式為上述不等式的左半部分而其最大值為上述不等式的右半部份，即：

最小輸入延時(shí)（input delay min） = FTh

歸根結(jié)底就是輸入信號(hào)的各部分時(shí)延必須滿足Tclk1(min) + Tco(min) + Tpcb(min) – Tclk2(max) ≥ FTh這個(gè)公式。但是式中Tco(max)可以通過(guò)對(duì)片外器件延時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，Tclk2(min)也可以通過(guò)時(shí)許約束（offset）或者FPGA內(nèi)部DCM實(shí)現(xiàn)相移等操作。外部器件輸出數(shù)據(jù)通過(guò)PCB板到達(dá)FPGA端口的最大值和最小值Tpcb，PCB延時(shí)經(jīng)驗(yàn)值為600mil/ns，1mm = 39.37mil。

本文所述為高速信號(hào)處理時(shí)，片間信號(hào)傳輸?shù)撵o態(tài)時(shí)許分析，中間的很多參數(shù)需要查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，另外對(duì)于FPGA輸出的靜態(tài)時(shí)許分析大家可以參考FPGA輸入的靜態(tài)時(shí)序分析進(jìn)行對(duì)照分析，在此就不再贅述。

編輯：黃飛

?