基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?

写在前面

        在《基于Xlinx的时序分析与约束(3)----基础概念(下)》文章中写了一些时序分析的基础概念,同时还说了文章中提到的公式根本就不需要记忆,因为综合工具vivado会帮你把所有时序路径都做详尽的分析,你所需要做的就是理解概念。

        光说不练云玩家,今天就通过一个简单的工程来看下如何在vivado软件中查看时序报告。


1、建立工程与添加时序约束

        首先新建一个vivado的RTL工程,再添加一个Verilog文件,内容如下:

module test
(
    input               sys_clk	,
    input               rst  	,
    output reg [7:0]	cnt
);

always @(posedge sys_clk)begin
    if(rst)
        cnt <= 0;
    else
        cnt <= cnt + 1'b1;
end

endmodule

        这个工程要实现的功能非常简单,就是一个8bit的循环计数器。这是生成的功能框图:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第1张图片

        然后再往工程里添加一个时序约束文件timing.xdc,内容如下:

create_clock -period 10.000 -name sys_clk -waveform {0.000 5.000} [get_ports sys_clk]

        这句约束的意思是将输入的主时钟频率约束在100MHz,如果你不懂主时钟约束,可以参考《基于Xlinx的时序分析与约束(4)----主时钟约束》

        管脚的绑定因为只是看时序报表不涉及具体的开发,所以就省去了(vivado自动分配,不影响看查看时序)。


2、时序报表

        工程新建完成后,点击综合、实现(完成布局布线)。然后点击实现implementation下的report timing summary,弹出的界面如下:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第2张图片

        按上图设置,点击OK,然后就出现了timing界面:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第3张图片

        timing界面左侧是时序路径分类,右侧是时序的一个总览,其中一些参数的含义如WNS以及TNS,WHS以及THS是我们需要着重关注的:

  • WNS:最差负时序裕量 (Worst Negative Slack)
  • TNS :总的负时序裕量 (Total Negative Slack),也就是负时序裕量路径之和
  • WHS :最差保持时序裕量 (Worst Hold Slack)
  • THS :总的保持时序裕量 (Total Hold Slack),也就是负保持时序裕量路径之和

       

        可以看到WNS为8.370ns,这表示这个工程中最差的那条时序路径的建立时间裕量是8.370ns,所以该设计是时序收敛的。如果时序不收敛,那么肯定是有WNS为负。

        而TNS为0代表不存在建立时间裕量为负的时序路径,这也表示设计是收敛的。如果设计不收敛,那么必然存在1条或多条建立时间裕量为负的时序路径,作为路径之和的TNS也就一定是一个负数。

        所以WNS描述设计中最差的时序路径的裕量情况,而TNS则描述设计中所有不收敛的时序路径的裕量情况。保持路径的分析类似。

        我们最需要关注的是intra-clock paths下sys_clk的setup和hold,这把具体的时序路径都穷举出来了:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第4张图片

        其中一些参数的意义如下:

  • slack:建立时间裕量
  • level:逻辑级数,这里1就表示在两个寄存器之间仅存在1个组合逻辑器件
  • fanout:表示从这一点连接到了几个目的端点,fanout = 1就表示连接了1个目的端点
  • from to:表示是哪两者之间的时序

        点击schematic就会出现设计的原理图:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第5张图片

       

        此时,点击某条路径,就会在原理图上高亮该条路径:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第6张图片

        上图以路径9为例,源端是cnt_reg【1】,目的端则是cnt_reg【5】,中间的数据路径经过了2个CARRY4,所以逻辑级数levels为2。

        

        双击某条路径,则可以打开其具体的路径分析(仍以路径9为例),由于报表很长,分为3个部分讲解:

        第1部分--总览:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第7张图片

  • slack:裕量,具体到这条路径就是建立时间裕量,裕量为8.370ns,表示这条路径是满足时序要求的
  • source:源端寄存器,即时序分析的起点,发射沿(Launch Edge)
  • destination:目的端寄存器,即时序分析的终点,锁存沿(Latch Edge)
  • path group:时序分析的时钟来源
  • path type:路径类型,此路径为建立时间的分析
  • requirement:时序要求,设定为100MHz,所以就是10ns
  • data path delay:组合路径的数据延时,包括组合逻辑器件的延时(logic)和布线延时(route)
  • logic levels:逻辑级数,即两个寄存器之间存在多少级组合逻辑
  • clock path skew:时钟到达目的寄存器和源寄存器之间的时间差值
  • clock uncertainty :时钟的不确定度,包括skew和jitter

       

        在讲第2部分和第3部分之前,先把建立时间裕量计算的这张模型图请出来,对照着理解会比较方便。

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第8张图片

Data Arrival Time = launch edge + Tclk1 + Tco +Tdata 

Data Required Time = latch edge + Tclk2 - Tsu

Setup Slack = Data Required Time – Data Arrival Time

        第2部分由源端的时钟路径和数据路径组成:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第9张图片

        时钟路径就是时钟从起点到达源端寄存器时钟端口的路径,也就是Tclk1,映射到路径9的具体路线则是:FPGA的时钟管脚--布线--IBUF(这个是缓冲的,每个管脚都会自动添加,增加驱动能力)--布线--BUFG(全局时钟网络,可以减少时钟到不同寄存器之间的Skew,一般时钟管脚都会添加)--布线--源端寄存器时钟端口。从上图可以看到,把每一条细小的路径叠加后,时钟从IO口到源端寄存器的时间是 4.392ns。

        数据路径则是数据从源端寄存器的D端到目的寄存器的D端的路径,也就是Tco +  Tdata。Tco等于0.379ns,接下来的所有net+2个CARRY4则是组合逻辑的延迟即Tdata,计算得到Tco +  Tdata = 1.625ns。

        那么Tclk1 + Tco +  Tdata不就是数据的到达时间吗?加起来就是6.017ns。

        第3部分是目的端的时钟路径,也就是Tclk2:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第10张图片

        时钟路径就是时钟从起点到达目的端寄存器时钟端口的路径,也就是Tclk2,映射到路径9的具体路线则是:FPGA的时钟管脚--布线--IBUF--布线--BUFG--布线--目的寄存器。这些时间参数统统加起来就构成了数据的要求到达时间,即14.387ns。

        最后就可以算出建立时间裕量slack =   数据要求到达时间Data Required Time – 数据实际到达时间Data Arrival Time = 14.387ns - 6.017ns = 8.370ns。

        如果你想查看某一条路径在FPGA内部的具体分布,可以按下面操作:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第11张图片

       

        这样就把该路径标成了紫色高亮,然后在device视图下就很快可以找到了:

基于Xlinx的时序分析与约束(6)----如何读懂vivado下的时序报告?_第12张图片


3、参考

        ug903,Vivado Design Suite User Guide--Using Constraints

        ug949,适用于 FPGA 和 SoC 的 UltraFast 设计方法指南

        ug906,Vivado Design Suite 用户指南--设计分析与收敛技巧


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