fpga时序相关概念与理解

一、基本概念理解

对于数字系统而言，建立时间（setup time）和保持时间（hold time）是数字电路时序的基础。数字电路系统的稳定性，基本取决于时序是否满足建立时间和保持时间。

建立时间Tsu：触发器的时钟信号触发沿到来以前，数据要维持稳定不变的时间。如果D进入Tsu后仍然变化（如图1），就不满足建立时间，可能出现亚稳态。

保持时间Th：触发器的时钟信号触发沿到来以后，数据要维持稳定不变的时间。如果D进入Th后仍然变化（如图1），就不满足保持时间，可能出现亚稳态。

输出时间Tco：触发器的时钟信号触发沿 到 数据从D稳定输出到Q所需时间。

建立时间裕量setup slack：D数据变化已稳定到Tsu之前。

保持时间裕量hold slack：Th之后到D变化之前。

同步信号：和时钟信号有关，实际上输入信号和时钟信号进行了与运算或与非运算，输入信号和时钟信号的运算结果为有效状态时，器件的状态才会改变。

异步信号：信号和时钟信号无关，输入信号变为有效状态时，器件的状态就会立即改变；

恢复时间（Recovery Time）：指异步控制信号在“下个时钟沿”来临之前变无效的最小时间长度。如果保证不了这个最小恢复时间，也就是说这个异步控制信号的解除与“下个时钟沿”离得太近，没有给寄存器留有足够时间来恢复至正常状态，就不能保证“下个时钟沿”能正常作用，也就是说这个“时钟沿”可能会失效。

去除时间（Removal Time）:是指异步控制信号在“有效时钟沿”之后变无效的最小时间长度。 这个时间的意义是，如果保证不了这个去除时间，也就是说这个异步控制信号的解除与“有效时钟沿”离得太近，那么就不能保证这个“有效时钟沿”能正常作用，也就是说这个“有效时钟沿”可能会失效。

FAN-OUT：某信号扇出值，即驱动几个寄存器。

FPGA组成：

①可编程输入/输出单元：可配置不同阻抗特性，电流大小等。

②基本可编程逻辑单元：由查找表（LUT用于组合逻辑）与寄存器（Register用于时序逻辑）。

③嵌入式块RAM：FPGA内嵌的RAM，可配置为单端口/双端口RAM，FIFO等。（FPGA还可外挂ram芯片等）。

④布线资源：全局专用布线资源（全局时钟/全局复位）、长线资源（长度、驱动能力仅次于全局资源，可用于高速信号）、短线资源（用于基本的逻辑单元连线）。

⑤底层嵌入功能单元：不固定。

⑥内嵌专用硬核：

FPGA同源时钟：源寄存器和目的寄存器应用同源时钟驱动，同源指源头是同一个时钟，相位差相同（比如由同个PLL输出的俩时钟）。

阻塞：触发器由时钟触发，在时钟触发沿到来之前，输出值不会因为输入值改变，输入值被阻塞，即电路具有维持阻塞作用。（由此理解阻塞赋值与非阻塞赋值，非阻塞即组合逻辑）使用时序逻辑替代组合逻辑可以提高时序性能。

FPGA实现可编程：通过查找表LUT（由与或非等逻辑组成的特定逻辑表达式（真值表））实现任意组合逻辑；通过D触发器与时钟实现时序逻辑。FPGA架构如下图。

一个LUT里面可以实现各种组合逻辑，与、或、非门等，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abcd 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。

最高运行时钟频率Fmax：在保证设计时序收敛的情况下，将时钟沿提前Tslack（最小建立时序余量）时间后得到的新时钟的周期，即最小时钟周期，对应最高运行时钟频率。即一个系统最高能跑多少兆而不出错（时序报告看）。

Slow 1200mV 85C Model：芯片内核供电电压 1200mV，工作温度85度情况下的慢速传输模型。

Slow 1200mV 0C Model：芯片内核供电电压 1200mV，工作温度0度情况下的慢速传输模型。

Fast 1200mV 0C Model：芯片内核供电电压 1200mV，工作温度0度情况下的快速传输模型。

时序分析的对象是网表模型。网表就是 Quartus 软件经过编译，布局布线后得到的实际适配某一个特定型号芯片的电路信息，该电路信息就是对应下载到芯 片中后实际在芯片中呈现的电路。

二、FPGA内部约束条件公式推导

触发器-触发器  /  外部器件-FPGA 的数据传输，示意图：

Comb为组合逻辑时延，pcb为pcb板走线时延

1.建立时间约束条件：

(即满足建立时间数据是稳定的)

Tco + Tcomb+ Tsu <= Tclk + Tskew（时钟偏移）

即：Tco + Tcomb <= Tclk + Tskew（时钟偏移）-  Tsu

由此可知满足建立时间约束条件的Tclk最小值为：

Tclk(min) = Tco + Tcomb + Tsu - Tskew（时钟偏移）

则最高时钟频率为: F(max) = 1 / Tclk(min)

2.保持时间约束条件：

(即满足保持时间数据是稳定的)

Tco + Tcomb >= Th + Tskew（时钟偏移）

3.建立时间约束与保持时间约束联立：

Th + Tskew（时钟偏移）<= Tco + Tcomb <= Tclk + Tskew（时钟偏移）- Tsu

具体电路具体分析，反正就根据给出的时序图和参数，按照建立时间与保持时间的定义来解，保证没有亚稳态。即前一级输出到寄存器的时间 不能进入当前级的建立时间；当前级的保持时间不能超过当前级输出到下一级的时间。

三、题目

总结：求解电路的Tsu和Th，从电路的内部寄存器出发，假设裕量为0，从内层往外层推导。

四、IO延时约束

       IO约束确保外部器件输入到FPGA时满足FPGA输入寄存器的建立时间和保持时间；确保FPGA输出到外部器件时满足外部器件的建立时间和保持时间。

1.输入最大最小延时

       输入延时：外部器件发出数据到FPGA输入端口的时间。（定义）

       表达式：Tin = Tco + Tpcb – Tskew （这里Tskew为什么是-，可以从上面的建立时间约束公式理解）

其中，Tco 为外部器件发出数据的时间，Tpcb为PCB板级走线的延时时间，Tskew为两个器件的时钟边沿延时时间。

       根据表达式和器件物理特性可以确定：

       最大输入延时：Tin(max) = Tco(max) + Tpcb(max) – Tskew(min)

       最小输入延时：Tin(min) = Tco(min) + Tpcb(min) – Tskew(max)

故需估算Tco、Tpcb、Tskew。

       从而对FPGA的IO口进行最大最小延时约束，优化从输入端口到第一级寄存器的路径延迟，保证系统时钟可靠采集到从外部来的信号。

2.输出最大最小延时

       输出延时：FPGA输出数据后到达外部器件的延时时间。（定义）

       最大输出时延：Tout max = Tpcb(max) + Tsu – Tskew(min)

其中，Tpcb为PCB板级走线的延时时间，Tskew为两个器件的时钟边沿延时时间，Tsu为外部器件的建立时间。

最小输出时延：Tout min = Tpcb(min) - Th – Tskew(max)

其中，Tpcb为PCB板级走线的延时时间，Tskew为两个器件的时钟边沿延时时间，Tsu为外部器件的保持时间。

       约束最大输出延时是为了约束IO口输出，防止输出过慢，使外部器件的数据建立时间裕量为负；约束最小输出延时，是为了约束IO口输出，使IO口输出一个最小延时值，防止输出过快，破坏了外部器件上一个时钟周期的数据保持时间，导致保持时间裕量为负。

即通知编译器FPGA的Ftco最大最小值，根据这个值去综合。

对于一些参数:

PLL产生时钟信号到源寄存器的时钟延时，即使是走全局时钟网路这一延时虽小但是必然存在。 值不知道，但是TimeQuest Timing Analyzer软件可以知道，EDA软件可以一定程度控制其值大小

Tco，值不知道，但这是一个固有的物理参数，其值TTA，EDA软件也知道

数据从寄存器Q端口产生后，到达IO口，在FPGA内部传输所花费的时间。值不知道，但是TTA软件可以知道，EDA软件可以一定程度控制其值大小

在PCB走线传输花费的时间。（可以计算的，5555mil/ns，看器件）

输出时钟到达FPGA引脚的延时，值不知道，但是TTA软件可以知道，EDA软件可以一定程度控制其值大小

输出时钟到达外部器件的走线延时，（可以计算的，5555mil/ns，看器件）

五、时序约束

作用：

1.提高设计的工作频率；告知EDA软件我们的时序标准。指示布局布线器在诸多路径中选择正确的方式，减少时延，保证编译结果能够尽可能稳定运行在你指定的时钟频率下。

2.作为静态时序分析工具的判断标准，提供正确的时序分析报告。

Clock transfer:跨时钟域传输

在高速系统中，时序约束包括：       

1.内部时钟约束

2.IO时序约束

3.时序例外约束

才能实现时序收敛

需要特别指出的一点是：由于时序分析是针对时钟驱动的电路进行的，所以分析的对象一定是“寄存器-寄存器”对。在分析涉及到I/O 的时序关系对时，看似缺少一个寄存器分析对象，构不成“寄存器-寄存器” 对，其实是穿过FPGA 的I/O 引脚，在FPGA 外部虚拟了一个寄存器作为分析对象。

对于源寄存器和目的寄存器中有一个不在 FPGA 内部的情况下，单纯约束 FPGA的时钟是无法让 EDA 软件对这样的路径进行分析。

做时钟约束主要就是告诉EDA软件输入的时钟信号的频率。

IO约束就是通过告知 EDA 软件一些IO传输路径中的已知时间参数，来让 EDA 软件编译并控制 FPGA 内部的各个路径传输延迟，使得总的路径能够满足建立时间余量为正的目的。

1.内部时钟约束

       在代码里，时钟信号你写input CLK_50M，你知道这是50Mhz的时钟，但EDA软件如quartus它不知道，只知道这是个时钟端口，它会根据时钟信号进行时序分析后，生成电路网表，不同的时钟信号会生成不同的优化电路网表。如果不进行时钟约束，EDA软件会自动分配一个时钟信号，编译后可以查看Clocks选项看该信号，频率不一定是我们想要的，所以需要进行时钟约束，告诉EDA软件这个时钟信号的频率，指导其布局布线。

       时钟约束步骤：使用timing analyzer，依照timiequest timing analyzer文件进行即可。

2.IO时序约束

       IO口约束针对最大最小输入时延和最大最小输出时延，可以在constraint-set input delay 以及 set output delay 中设置。

       IO时序分析分为系统同步和源同步两种。

系统同步：基于同一时钟源进行系统同步，器件间的传输延时无法确定，不能进行高速数据的传输。

源同步：源同步输出的信号有时钟和数据信号，输出时钟由FPGA产生，有多种输出方式，如：锁相环；ALTDDIO IP核；状态机；驱动数据的时钟。

2.时序例外约束

2.1伪路径例外：伪路径表示该路径实际存在，但该路径的电路功能无须考虑时序约束。通过定义伪路径，通知vivado等FPGA开发软件无需对这些路径进行时序优化布线。这样FPGA开发软件就会自动跳过这部分路径的优化，可以减少综合布线的优化时间。使用伪路径命令可以有效地减少时序分析的复杂度，同时提高系统性能和可靠性。

六、提高Fmax

影响Fmax的是寄存器到寄存器传输路径中延迟最大（对应的建立时间余量最小）的那一条path，保证目的寄存器能够正确接收数据，所能够运行的时钟信号的最大频率。

1.找最坏路径：在综合报告中，Timequest timing analyzer -> slow 1200mv 85c mode->worst-case timing paths,点击Setup:，就能在slack这一列看到建立时间余量的排序。这个余量以你约束的launch clock时钟作为参考。可以根据这个余量来提升你的工作时钟频率从而提高系统性能。正的表示在参考时钟频率下还有建立时间余量，负的表示无余量，系统Fmax达不到你要的频率。

2.点击最坏路径的To node 的一个信号，右键找到locate->locate in design file。找到该信号的设计逻辑起点与终点，分析设计中是否引入了多层组合逻辑，针对优化。

3.优化的方法可以为：插入寄存器大法。在多层组合逻辑中间插入触发器（即时序逻辑），将原本较长的组合逻辑链路路径切割为了两段较短的组合逻辑路径，便可减小传输延迟。这会带来一个时钟周期的延迟。

4.优化后重新编译，可能性能只提升一点点，因为也许之前的关键路径解决了，但是马上又会有新的路径成为关键路径，需要再对新的关键路径进行分析，直到最后满足设计需求或者再也无法优化。

七、芯片版图

由多个逻辑阵列块组成（Logic Array Block，LAB），浅色为未使用资源，深色为已使用资源，黑色区域为一些固定功能的资源或没有资源，用户不可对其进行任意配置。

（1）逻辑阵列块（Logic Array Block，LAB）：每个LAB由16个LE（Logic Element）组成。

（2）逻辑单元（Logic Element，LE）：每个LE由一个寄存器和一个查找表组成。

内部结构：

       由查找表、寄存器、进位链、数据选择器组成。查找表大部分采用SRAM工艺，即存储真值表，实现组合逻辑；寄存器可配置成触发器、锁存器、同步/异步复位等模式；进位链方便加法器实现。

       锁相环：PLL 的时钟输入可以是PLL 所在的 Bank 的时钟输入管脚或者其他 PLL 的输出，FPGA 内部产生的信号不能驱动PLL。

       时序分析时可以通过在data path页面右击选择locate到chip planner，从而在芯片版图上看路径连线等情况。