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。

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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：

        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）。

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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：

        按上图设置，点击OK，然后就出现了timing界面：

        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：

        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：

       

        此时，点击某条路径，就会在原理图上高亮该条路径：

        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：

• 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。

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：

        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：

        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：

       

        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：

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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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