FPGA时序约束学习

时序（timing）是与FPGA速度相关的三大指标之一，其余两个为延时（latency）和吞吐量（throughput），这三个指标是相互影响的，设计时需要权衡。如更高的吞吐量通常意味着更多的寄存器，这有可能会增加延时；更低的延时通常意味着更少的流水线（pipeline），更大的组合逻辑，这可能会降低系统工作频率。接下来就讲讲lattice芯片中与时序约束相关的东西吧，我也是初学者，有很多不足之处。

• 一，时序要求与约束

首先，FPGA中的每个时钟域的时钟都需要设置一个频率，且都需要上时钟树；对于两个时钟域，如果它们之间关系不确定（如两个top层的时钟输入引脚；pll产生的时钟不需要，因为它们之间关系确定），需要确定它们之间的skew，否则diamond综合时不会分析这两个时钟域之间的路径。使用到两个语句：

1，FREQUENCY PORT “CLK” MHZ，该语句用于约束相应时钟的频率。

2，CLKSKEWDIFF CLKPORT "CLK2" CLKPORT "CLK1" NS，该语句用于建立两个时钟之间的关系，即时钟2滞后于时钟1多久。

其次，如果FPGA与板上其他设备通信，可能还需要约束IO口时序，分为输入和输出两种。下图是FPGA作为输入设备时，IO口需要考虑的时序。Input Delay为输入延时，即FPGA输入捕获到时钟上升沿到数据到达输入引脚的时间；Input Setup为输入建立时间，即数据到大FPGA引脚到下一个捕获时钟上升沿，两者相加等于1个时钟周期。它们两个的约束语句如下：

1，INPUT_SETUP PORT “INPUT” ，设置输入setup时间
             HOLD CLKPORT “CLK”，设置hold时间

2，INPUT_SETUP PORT “INPUT” INPUT_DELAY ，设置输入延时时间

      HOLD CLKPORT “CLK”，设置hold时间

下图是FPGA作为输出设备时，需要考虑的约束。Clock_to_Out为启动时钟上升沿到数据从FPGA引脚输出的时间，Output Delay为数据从FPGA引脚输出到下一个启动时钟的上升沿，两者之和为一个时钟周期。它们两个的约束语句如下：

1，CLOCK_TO_OUT PORT “OUTPUT” ，设置CLOCK_TO_OUT时间
             MIN CLKPORT “CLK”，设置hold时间

2，CLOCK_TO_OUT PORT “OUTPUT” OUTPUT_DELAY ，设置OUTPUT_DELAY 时间
             MIN CLKPORT “CLK”，设置hold时间

最后，时序约束还应考虑一些特殊情况。例如对于一些电源口、接地口，可能不需要分析它们的时序，这时可以使用block，将net或者path屏蔽掉，不做时序分析。又例如对于两个寄存器之间，需要多个时钟周期才能稳定的情况，即多周期路径，可以使用multicycle放宽约束条件，而不是以一个周期作为约束。具体multicycle用法可以参考diamond的help文档。

• 二，解决时序问题的方法

 首先，写RTL代码时，应该采用规范的代码风格。如设计时应遵循至上而下的准则 ， top层尽量只包含模块例化和信号声明；子模块输出尽量register；子模块间的耦合尽量小，这样方便模块修改；组合逻辑应避免latch产生；如果条件相对独立，尽量使用case语句，而不要使用if语句；组合逻辑不要太大，适当采用流水线设计；尽量少使用门控时钟，用使能信号替代门控时钟；尽量不要使用原语去搭建分布式ram；乘法计算时尽量使用三级流水的形式，第一级取值，第二级乘法，第三级输出；对于顶层IO口，为了保证数据进入或输出FPGA时的一致性，可以考虑使用IO寄存器；采用ebr的地方，输出寄存应该开启。

 然后，阅读map trace的时序报告。主要关注路径覆盖率是否在95%以上以及时序不过的地方。map trace报告是lattice采用理想的算法分析布局布线时序，其中延时都是固定的，并不是按实际计算的，主要看看RTL代码逻辑深度有没有问题。

最后，阅读par trace的时序报告。主要看一下时钟资源使用是否合理以及时序不过的地方。需要确认时钟资源不要超过芯片的时钟树资源。对于时序不过的地方，首先看看路径中哪一块延时最大，然后去优化代码。如对于扇出太大的地方，可以考虑用syn_maxfan控制扇出；对于使用分布式移位寄存器的地方，可以考虑用syn_srlstyle控制使用register去搭建；对于无需使用dsp的运算，可以考虑用syn_multstyle设置其运算用逻辑实现；对于时钟使能信号造成的延迟（lattice里pfu单元，ce信号的延时大于数据），可用syn_useenables禁止使用寄存器时钟使能。