FPGA中的时序分析（五）

时序约束实例详解

  本篇博客结合之前的内容，然后实打实的做一个约束实例，通过本实例读者应该会实用timequest去分析相关的实例。本实例以VGA实验为基础，介绍如何去做时序约束。

  首先VGA这种情况属于供源时钟情况，不明白供源时钟的可以参看之前博客讲解。首先查看ADV7123的数据手册，查看其时序图。如下图所示，是建立时间和保持时间要求。

  下图是时序图，可见t1和t2在时钟上升沿的位置，数据在时钟的上升沿进行采集。

  对于VGA实验来说，FPGA是发送端，ADV7123是接收端，如果传输的速率比较高的话，数据和时钟上升沿的严格对齐就要依靠PLL产生可调相位的时钟信号来保证，不过对于对于25MHz时钟通过较好的时序约束和分析后，则不必动用PLL。

  接下来需要产生虚拟时钟，对于reg2reg路径的分析，其时钟都是FPGA内部，不用产生虚拟时钟，但是对于pin2reg或者reg2pin这种情况，需要产生一个虚拟时钟，作为pin端的时钟来分析时序。如下图中的标注所示。

  所以ADV7123和FPGA进行时钟相关的信号就是ADV7123的驱动时钟，明白这个信号之后，需要设置其虚拟时钟约束，如下图所示。

  由于FPGA是相对于ADV7123为输出ADV7123所需要的信号，所以需要设置输出延迟约束。这一部分结合上一篇博客的分析，首先需要计算FPGA到ADV7123芯片的延迟，这一部分主要是PCB上面的信号走线延时。所以需要结合PCB走线来估计延迟时间。

  打开altium designer，然后查看VGA模块的走线长度如下图1所示，长度大约是11.589mm。

图1 VGA模块走线长度

  在FPGA核心板（笔者设计的一款学习板）上面的lcd_dclk的走线长度如下图2所示。长度大约是41.4mm。

图2 核心板走线长度

  根据上述的计算，所以lcd_dclk总得走线长度 = 52.989mm。

  同样的道理，数据走线长度如下图3所示，此走线长度是VGA模块上面的长度，长度大约在7.72~43.152mm，那么对于核心板上面的走线模块长度如图4所示，大概长度约为28.65 ~ 53.32mm，总的长度为36.37mm~96.472mm，根据0.17ns/25.4mm,lcd_clk走线延迟0.35ns，数据总线延迟0.24ns~0.646ns。

图3 各信号走线延迟

图4 核心板各信号走线延迟

  若是不考虑时钟偏移，那么进行时序分析得到的余量如图5所示。

图5 建立和保持余量

  上述是计算完了FPGA到外部IC的延迟，但是还有时钟偏斜没有计算，那么需要用到set max/min delay 命令，对于lcd_dclk先估计一个范围，如0~5ns即可，这个范围肯定是满足要求，但是可能会不能够留有更多的余量。然后在将有时钟偏移的延迟时间代入set output delay的表达式中，此处利用公式将lcd_dclk 最大延迟设为3ns，lcd_dclk最小延迟设为1ns，那么考虑时钟偏斜的输出最大值 = 0.646 + 0.2 -3 = -2.154ns；输出最小值 = 0.24 - 1.5 - 1 = -2.26ns；

图6是约束后的建立余量和保持余量，可以看到满足时序要求，并保有很大的时序余量。

图6 建立余量和保持余量

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