Vivado使用技巧（16）：SSN转换噪声分析

SSN概述

SSN（Simultaneously Switching Noise）分析可以估计I/O Bank中管脚在同时转换输出状态时对其它输出端口造成的干扰。这是一个常见的问题，许多总线有大量的位宽，当总线数据有多位同时变化时，很容易在其它I/O上产生噪声。比如数字电路设计中倾向于使用格雷码编码，正是因为两个相邻的数字用格雷码表示时只有1bit的差异，使得同时转换噪声最小。

SSN分析会将I/O Bank的规格电气特性考虑在估算中，以获得更准确的模型封装对SSN的影响。我们知道FPGA中将I/O隔离地分布在多个I/O Bank中，每个I/O Bank都有独立的电源分布和独立的同时转换响应。并且，不同的电源分布网络对噪声有不同的响应，因此设计者需要理解不同I/O标准、设计中用到的I/O数量、FPGA电源系统对转换响应的影响。

Xilinx通过三维提取和仿真刻画了所有Bank的特征，这些信息会用于SSN分析中，预测转换对系统电源网络和I/O Bank中其它输出管脚的影响。SSN分析仅分析输出信号和双向端口的输出状态，计算中会忽略输入信号。SSN分析可以帮助设计者发现设计中潜在的噪声问题。

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运行SSN分析

不是所有的FPGA都支持SSN分析，使用下面Tcl命令可以参看支持情况：

get_property SSN_REPORT [get_property PART [current_design]]  
#查看当前打开的设计是否支持SSN分析
get_parts -filter "FAMILY == [get_property FAMILY [get_property PART [current_design]]] && SSN_REPORT"
#列出当前打开设计使用的FPGA系列支持SSN分析的所有型号

打开实现后设计，点击Tools->Report->Report Noise或Flow Navigator中 的Report Noise，弹出如下窗口：

Export to file可以将分析结果导入到外部CSV、HTML或TXT文件中。选中“Phase”，会在分析过程中考虑设计中可用的时钟信息（使用create_clock、create_generated_clock创建的时钟），以获得更精确的SSN噪声报告。分析完成后，结果显示在Noise窗口中：

左边的目录中选择查看哪种信息，如I/O Bank Details中包含如下信息：

• Name：显示FPGA中可用的I/O Bank，图标显示了该I/O Bank中端口的使用量。如果分析不通过会显示红圈；
• Port：显示用户I/O在FPGA设计中的名称；
• I/O Std，Vcco，Slew，Drive Strength：显示I/O端口的参数值；
• Off-Chip Termination：显示每个I/O标准的默认端接。比如FP_VTT_50表示远端并联50Ω的VTT端接类型；HSTL_1表示远端并联40Ω的VTT端口类型。具体的端接类型可以在ug471（7系列）和ug571（UltraScale系列）中查看；
• Remaining Margin %：显示Bank中剩余的噪声裕量；
• Notes：显示与I/O Bank相关的信息。

点击某一个 I/O Bank，可以在属性窗口中查看详细信息。如果SSN结果中有违规出现，可以尝试如下方法来改善SSN结果：

• 增加Phase信息进行分析；
• 将失败的I/O的电平标准更换为具有更低SSN影响的I/O标准。减小驱动强度，使用并行端接的DCI I/O标准，或者更换为更低的驱动等级都可以改善SSN结果，比如将SSTL Class II标准更换为SSTL Class I；
• 将失败的管脚分散在多个Bank中，可以减少在同一个Bank中多个输出管脚同时对电源系统造成影响；
• 将失败的管脚分散在多个同步阶段中（即所有输出端口不会同时转换）。

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SSN分析中添加相位/温度信息

在SSN分析中加入相位信息，可以增加一些裕量。默认情况下，SSN分析所有的输出端口同步转换，这样覆盖了最坏的情况，得到最悲观情况下的SSN报告。如果假如了设计中的时钟信息，SSN分析可以报告更精确的SSN噪声。

时钟信息必须在约束中用create_clock和**create_generated_cloc**k定义，定义中需要提供相群（phase group）、周期、占空比、相移这些信息。如果在SSN分析时启用了Phase功能，相关信息会显示在报告窗口的Phase列中。但是增加了Phase功能后，会增加SSN分析的运行时间。

对于7系列和Zynq-7000系列的FPGA，还可以通过规定温度等级来提高SSN分析的精度。设置时注意选择与目标器件相符的温度等级。可以使用如下命令添加温度等级信息后，再运行SSN分析。

set_operating_conditions -grade Commercial
set_operating_conditions -grade Industrial
set_operating_conditions -grade Military
set_operating_conditions -grade Q-Grade
set_operating_conditions -grade Extended

UltraScale架构的FPGA芯片的名称已经包含了温度等级信息，因此再运行SSN分析时会自动调用。使用“report_operating_conditions -grade”可以查看温度等级。