vivado时序分析 实例

建立余量

保持余量

实例分析

环境：Vivado 2019.2
芯片型号：xc7z020clg484-2

举例子说明怎么使用Reporte Timing Summary

建立源工程

module timing_analyze (
	input	wire			clk		,
	input	wire			reset	,
	input	wire	[ 4: 0]	data_in	,
	
	output	reg		[ 4: 0]	data_out
);

	reg		[ 4: 0]	data_tmp_in	;
	wire	[ 4: 0]	data_tmp_out;
	wire	[ 4: 0]	data_tmp2, data_tmp_3, data_tmp_4, data_tmp_5, data_tmp_6, data_tmp_7;
	wire	[ 4: 0]	data_cal_out;
	
	always @ (posedge clk)
		if (reset == 1'b1)
			data_tmp_in	<=	0;
		else
			data_tmp_in	<=	data_in;
			
	// 为了增加经过逻辑门的数量，做连续的乘法
	assign	data_tmp_2	=	data_tmp_in * data_tmp_in;
	assign	data_tmp_3	=	data_tmp_2 * data_tmp_in;
	assign	data_tmp_4	=	data_tmp_3 * data_tmp_2;
	assign	data_tmp_5	=	data_tmp_4 * data_tmp_3;
	assign	data_tmp_6	=	data_tmp_5 * data_tmp_4;
	assign	data_tmp_7	=	data_tmp_6 * data_tmp_5;
	assign	data_cal_out=	data_tmp_7;
	
	always @ (posedge clk)
		if (reset == 1'b1)
			data_out	<=	0;
		else
			data_out	<=	data_cal_out;

endmodule

添加.xdc文件
设定clk时钟为200MHz，T = 5ns

# create_clock - name clk - period 5.000 [get_ports clk]  // err
create_clock -name clk -period 5.000 [get_ports clk] 

查看时序报告
Run Systhesis、Run Implementation，可以在Design Runs状态栏看到下面的情况，impl_1一行有红色，表示布线的时序不通过

WNS 代表最差负时序裕量 (Worst Negative Slack)
TNS 代表总的负时序裕量 (Total Negative Slack)，也就是负时序裕量路径之和。
WHS 代表最差保持时序裕量 (Worst Hold Slack)
THS 代表总的保持时序裕量 (Total Hold Slack)，也就是负保持时序裕量路径之和。
这些值告诉设计者设计与时序要求相差多少。如果为正值，则说明能达到时序要求，若为负值，则说明时序达不到要求。

点Implementation -> Open Implementation -> Reporte Timing Summary，通过时序报告查看时序问题的产生原因，可以在Timing状态栏看到下面的情况，Design Timing Summary和Intra-Clock Paths时红色的，表示时序不合格的部分就在这里。

点击红色框中的选项可以看到，时序不合格的地方时clk时钟下的Setup时间不能达到要求，默认情况下最多显示10条每个时钟能显示的问题数量

时序分析
双击Path1，打开时序报告的界面。

Slack为-1.344ns，表示和5ns的建立时间的要求相比，这条线的路还差1.344ns，单击-1.344ns，弹出来一个对话框，可以看到这条线需要数据在9.417ns内到达第二个触发器的输入，但实际到达时间为10.761ns，导致建立时间不够。

Source Clock Path为时钟到第一级触发器的时间，Data Path为数据经过组合逻辑产生的延迟，Source Clock Path + Data Path算出的是数据延迟的综合，为10.761ns。Destination Clock Path算出的是Clock延迟的总和，为9.417ns

单击Path1，再点Implementation -> Open Implementation -> Schematic查看原理图，原理图中可以看到其经过的逻辑电路（高亮），并且在Divice界面里可以看到在FPGA内部的实际走线。原理图可以看到，最左边和最右边的器件是触发器，两级触发器之间的电路则是经过的逻辑器件。

时序优化
根据时序分析已经找到了时序不通过的地方，可以采取三种解决办法，推荐第二种

1. 简化逻辑
   通过减少器件的数目，来减少逻辑延迟，使之能符合时序要求，
   为了能只直观看到减少组合逻辑带来的好处，这里简单粗暴去掉一些乘法器，再运行一遍，可以看到时序直接通过

   	assign	data_tmp_2	=	data_tmp_in * data_tmp_in;
   	assign	data_tmp_3	=	data_tmp_2 * data_tmp_in;
   	assign	data_tmp_4	=	data_tmp_3 * data_tmp_2;
   //	assign	data_tmp_5	=	data_tmp_4 * data_tmp_3;
   //	assign	data_tmp_6	=	data_tmp_5 * data_tmp_4;
   //	assign	data_tmp_7	=	data_tmp_6 * data_tmp_5;
   	assign	data_cal_out=	data_tmp_4;
   

   

2. 插入触发器
   通过在组合逻辑之间插入触发器，将原本需要一个周期完成的逻辑转换为两个周期完成，分散时序的压力，从而使时序达到要求
   有关流水线的优化，可以参考： 四输入乘法器的优化.

   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_2  <=  0;
      else                data_tmp_2  <=  data_tmp_in * data_tmp_in;
      
   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_3  <=  0;
      else	               data_tmp_3  <=  data_tmp_2 * data_tmp_in;
      
   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_4  <=  0;
      else                data_tmp_4  <=  data_tmp_3 * data_tmp_2;
   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_5  <=  0;
      else                data_tmp_5  <=  data_tmp_4 * data_tmp_3;
   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_6  <=  0;
      else                data_tmp_6  <=  data_tmp_5 * data_tmp_4;
   always @ (posedge clk)
      if (reset == 1'b1)  data_tmp_7  <=  0;
      else                data_tmp_7  <=  data_tmp_6 * data_tmp_5;
   
   assign	data_cal_out=	data_tmp_7;
   

   

3. 用低频时钟
   修改约束文件，频率约束为5mHz，T = 20ns

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20230119修改：
修改约束文件，频率约束为50MHz，T = 20ns

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create_clock -name clk -period 20.000 [get_ports clk]