FPGA時序約束的基礎(chǔ)知識

FPGA開發(fā)過程中，離不開時序約束，那么時序約束是什么？簡單點(diǎn)說，F(xiàn)PGA芯片中的邏輯電路，從輸入到輸出所需要的時間，這個時間必須在設(shè)定的時鐘周期內(nèi)完成，更詳細(xì)一點(diǎn)，即需要滿足建立和保持時間。

時序約束可以讓VIvado和Quartus等FPGA開發(fā)軟件，在布線時檢測綜合出來的邏輯電路是否滿足這個時序要求，并生成時序報(bào)告。

一、建立/保持時間

1、基本概念

設(shè)定時序約束的目的就是為了滿足建立時間和保持時間，所以理解“建立時間和保持時間”這兩個概念非常重要。

建立時間：在時鐘上升沿到來之前，輸入信號需要提前一個最小時間里“預(yù)先準(zhǔn)備好”，這個最小時間量就是建立時間；

保持時間：在時鐘上升沿到來之后，輸入信號必須保持一個最小時間量“不能變化”，這樣這個最小時間量就是保持時間。

只有滿足建立時間和保持時間，這樣才能準(zhǔn)確捕獲到這個輸入信號，下一級電路邏輯才能正常接收到正確的信號。

建立和保持時間是由FPGA芯片器件特性決定，也就是制程工藝決定的，以Xilinx FPGA K7芯片為例，setup time為0.04ns，hold time為0.2ns，具體可以查對應(yīng)芯片手冊的setup time和hold time。

2、時鐘抖動

實(shí)際的時鐘信號是存在時鐘抖動的，時鐘抖動（ Clock Jitter）是實(shí)際時鐘存在隨著時間積累的、時而超前、時而滯后的偏移，如下圖所示。

3、時鐘偏差

時鐘偏差（Clock Skew）表示在同一個時鐘域內(nèi)時鐘信號到達(dá)各個寄存器用時的差異。時鐘信號在FPGA芯片中也是需要走線的，所以也存在布線延遲。

時鐘的不確定性，就是由時鐘抖動和時鐘偏差組成的。

二、時序路徑

時序路徑是指從FPGA輸入到輸出的所有邏輯路徑組成的路徑。當(dāng)存在時序路徑時，需要考慮時序約束以確保正確的邏輯功能和時序性能。

時序路徑中的關(guān)鍵元素包括：

（1） 路徑起點(diǎn)（即時鐘觸發(fā)器輸入端口）

（2）路徑終點(diǎn)（即輸出端口的寄存器或查找表單元）

（3）邏輯電路和邏輯器件

有了這些元素，就可以構(gòu)建完整的時序路徑。在實(shí)踐中，我們可以使用FPGA工具來分析、優(yōu)化和修復(fù)時序路徑。

時序路徑對于設(shè)計(jì)的正確性和時序性能來說都是非常重要的。為了最大程度地提高性能并避免瓶頸，我們必須對時序路徑進(jìn)行詳細(xì)的分析和優(yōu)化。

三、時序模型

一個基本的時序路徑包括源時鐘路徑、數(shù)據(jù)路徑和目的時鐘路徑，如下圖所示：

各部分對應(yīng)的延時計(jì)算如下圖所示：

時序約束的公式為：Tclk ≥ Tco + Tlogic + Trouting + Tsetup - Tskew

說明：Tclk表示系統(tǒng)時鐘周期；Tco表示發(fā)送端寄存器時鐘到輸出時間；Tlogic表示組合邏輯延遲時間；Trouting為兩級寄存器之間的布線延遲；Tsetup為接收端寄存器的建立時間；Tskew為時鐘偏差。

Tlogic與我們寫的HDL代碼有直接關(guān)系，Trouting是FPGA開發(fā)軟件綜合布線根據(jù)FPGA內(nèi)部資源情況進(jìn)行布線產(chǎn)生的延時。

四、總結(jié)

本文介紹了FPGA時序約束的基礎(chǔ)理論知識，希望通過閱讀本文，大家能夠更好地理解時序約束原理，并在實(shí)際工作中運(yùn)用這些原理提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。