时序分析基础(Vivado)

本文参考《vivado从此开始—to learn vivado from here》高亚军编著

Vivado综合后的时序报告是可信的，也可在综合后添加时序约束后直接查看时序报告。

一、时序模型

一般时序模型由三部分组成，分别为：

1. 发起寄存器
2. 组合逻辑
3. 捕获寄存器

由上述的时序分析模型的三个部分，构建出3部分时序路径，从而组成一个完整的时序分析路径。

1. 源时钟路径(Source Clock Path)
2. 数据路径(Data Path)
3. 目的时钟路径 (Destination Clock Path)

所以，这个模型如下图所示：

二、时序分析中的基本概念

1、发起沿与捕获沿

发起沿与捕获沿通常差一个时钟（大概时序分析工具默认发起沿的下一个时钟捕获数据），发起沿和捕获沿共用一个时钟的的时序模型如下图所示：

1. $T_{co}$：时钟输出时间，发起沿有效至数据出现在发起沿寄存器Q端所需时间。
2. $T_{su}$：捕获寄存器建立时间需求。
3. $T_h$：捕获寄存器保持时间需求。

2、数据到达时间

以发起沿为时间基准点（通常定义是0时刻），数据达到时间为：
$$DataArrivalTime=LaunchEdge+T_{clka}+T_{co}+T_{data}$$
如下图所示：

3、时钟到达时间

时钟到达时间是指捕获寄存器的时钟：
$$ClockArrivalTime=CaptureEdge+T_{clkb}$$

4、建立时间的数据需求时间

数据必须提前一定时间在捕获寄存器之前稳定存在于数据端口。
$$DataRequiredTime(Setup)=ClockArrivalTime-T_{su}-ClockUncertainty$$

5、保持时间的数据需求时间

数据必须在时钟捕获沿之后依然稳定一段时间：
$$DataRequiredTime(Hold)=CLockArrivalTime+T_h-ClockUncertainty$$

6、建立时间裕量

建立时间裕量指的是：数据在$T_{su}$之前的一段时间已经稳定
$$SetupSlack=DataRequiredTime(setup)-DataArrivalTime(Setup)$$
如下图所示：

7、保持时间裕量

保持时间裕量是指当前数据保持时间之后，下一数据到达之前的时间。
$$HoldSlack=DataArrivalTime(Hold)-DataRequiredTime(Hold)$$
如下图所示：

三、总结

将建立时间裕量和保持时间裕量放在一起分析：
建立时间决定了数据的最大延迟：
$$MaxDelay=T-T_{su}$$
保持时间决定了数据的最小延迟：
$$MinDelay=T_h$$
所以，建立时间和保持时间共同决定了数据的有效窗口。
进一步分析，系统时钟周期T需要满足：
$$T>=T_{co}+T_{logic}+T_{routing}+T_{su}-T_{skew}$$
一旦芯片确定（$T_{co}$和$T_{su}$由工艺决定），那么只能修改$T_{data}=T_{logic}+T_{routing}$来提系统频率。$T_{logic}$取决于代码风格；$T_{routing}$和布局布线有很大关系。（同步设计不考虑时钟偏移）。