FPGA时序约束学习笔记（一）理论知识

参考资料：《小梅哥FPGA时序约束从遥望到领悟》

一、时钟设计对FPGA设计的影响

1.外部输入时钟（如 PHY芯片输入时钟），通过普通IO口输入，为以太网通信的许多模块提供时钟源。但是由于输入的引脚为通用的IO引脚，在 FPGA 片上进行走线时，只能使用片上的长线和短线布线资源，有时候甚至要通过 LUT 连接，才能到达各个寄存器。无法通过专用时钟引脚输入，讲时钟信号通过全局时钟布线资源同步到全局时钟中。

不良后果有两点：（1）该时钟信号到达不同寄存器的时间由于经过不同的布线路径，会出现不同的时间延迟，影响建立时间和保持时间；（2）该时钟信号需要经过复杂的布线与经历高速翻转模块的噪声，会导致始终质量变差，例如边沿上升和下降更慢， 占空比发生变化，时钟抖动增大。

解决方法：将由通用IO输入的时钟信号同步到全局时钟资源中。

在 Cyclone IV E 器件中， 有这样的专用缓冲器，该缓冲器可以将普通 IO 或者寄存器产生的时钟信号分配到全局时钟资源上。 该缓冲器对用户以IP 的形式提供， 在 IP 列表的 IO 分组中， 名称叫做 ALTCLKCTRL。

我们这里只需将 mii_tx_clk 接入全局时钟资源，不需要做多时钟切换， 因此我们这里用途设置为“For global clock”， 数量选择 1，设置完成后点击 finish。通过例化便可条用ip核输出的时钟信号，此时已同步到全局时钟。

如此，大大减小了输入非全局时钟的影响。（例如COMS摄像头输入的像素时钟，当传输较高质量的图像时，也需要对像素时钟进行全局时钟化，虽然有些开发板上直接设置连接到专用的时钟引脚上，但还是需要注意保持时钟的质量）
 

2.在什么时候进行时序约束？

任何时候。

(1)创建时钟：timequset timing analysis，输入外部晶振时钟，

 

（2）PLL 的参考时钟，经过倍频得到 100MHz 的时钟信号，该 100MHz 的信号再作为整个设计的时钟信号使用。

（3）报告时钟约束。 通过报告时钟约束命令， 可以查看当前系统的所有时钟约束。

（4）查看运行最大频率。 通过报告最大频率命令， 可以查看当前经过布局布线的网表能够运行的最大时钟频率。

pll输出的最大时钟频率仅为68.79Hz,由于未加时钟约束，按照系统自动布局布线优化，导致远低于设置输出100MHz。

（5）解决方法：添加时序约束

使用约束文件指导 Quartus 工程进行编译。

（6）编译添加约束文件后，再次查看最大运行频率（131.27MHz）。

事实证明，不添加时序约束时，按照quartus自动综合的最大运行频率无法到达最优，在所有设计中必须添加约束文件优化时序。

建议：在任何模块中都要添加时序约束文件，在vavido与quartus II中带有自动xdc文件编写,可以多加利用。

因为时钟约束只能约束 FPGA 芯片内的各个路径， 而对 FPGA 和其他芯片的连接，也就是 IO 口上的时序约束根本无能为力， 所以，要想解决这些问题，就涉及到另一个更加重要的约束了——IO 约束。

3.IO约束

在RGB888输出图像数据到ADV7123 芯片中。

直接将FPGA内部的时钟作为CLOCK提供给ADV7123 芯片作为数据同步时钟的具体现象。

不加任何 I/O 约束， 也不对 FPGA 输给 ADV7123 芯片的 CLOCK 时钟进行取反的情况下采集到的图像实拍。

出现严重的重影等现象，这其实是由于输出时钟没有良好的建立时间与保持时间的原因，当对输出时钟取反输出后，输出图像的质量大大提高。

不对输出时钟做取反处理，对输出信号时序约束，也可到达同样的效果，也可以说是验证了前面说的图像异常问题确实是由 IO 时序不满足导致的。

4FPGA 可编程原理

一个逻辑单元由一个查找表（LUT） 和 D 触发器（DFF） 组成

LUT 里面实际有 16 个1bit 的基于 SRAM 结构的存储器， 能够对应 a、 b、 c、 d 四个输入的逻辑组合的所有可能，Quartus 通过向这 16bit 的存储器里写入不同的初始值，就能使 a、 b、 c、 d 四个输入在不同的状态下输出不同的逻辑结果，从而实现使用一个 LUT 实现各种组合逻辑的功能。

 

既然 FPGA 已经能够实现各种的基本逻辑门功能了，而且还有 D 触发器能够实现时序逻辑功能，那么，要实现复杂逻辑功能， 无非就是把众多的基本逻辑功能联合起来，从而达到复杂逻辑功能的目的。

5.FPGA 内数据传输模型

（1）建立时间、保持时间及输出延迟

（2）时钟延迟

（3）数据到达时间

（4）数据需求时间

（5）建立时间余量

即为实际数据到达比需要数据（Tsu）到达的时间提前的时间。

（6）最高运行时钟频率

即通过建立保持余量，通过调控缩短reg_ck来提高最高运行频率。即减少最小建立时间余量。

计算最高运行频率:

可以查看时序收敛下的建立保持余量，可以计算出最高运行频率。

（6）时序不收敛的设计 Fmax 计算

（7）保持时间余量
VGA输出噪点的问题，正是因为保持时间余量不够导致的。

这个数据需要保持稳定的时间长度，称为 D 触发器的保持时间（Th）， 而保持时间余量，说的正是 D 端的数据在时钟上升沿
之后继续保持稳定的时间长度和 D 触发器的保持时间参数的差值。（即实际保持时间与需求保持时间的差值）

时序收敛与时序非收敛与建立时间想类似。

（7）时钟偏斜
 

时间偏斜即Tclk1与Tclk2的时间差。

Tskew = Tclk2 – Tclk1。