FPGA時序約束基本理論之時序路徑和時序模型

時序路徑

典型的時序路徑有4類，如下圖所示，這4類路徑可分為片間路徑（標記①和標記③)和片內(nèi)路徑（標記②和標記④）。

對于所有的時序路徑，我們都要明確其起點和終點，這4類時序路徑的起點和終點分別如下表。

這4類路徑中，我們最為關心是②的同步時序路徑，也就是FPGA內(nèi)部的時序邏輯。

時序模型

典型的時序模型如下圖所示，一個完整的時序路徑包括源時鐘路徑、數(shù)據(jù)路徑和目的時鐘路徑，也可以表示為觸發(fā)器+組合邏輯+觸發(fā)器的模型。

該時序模型的要求為(公式1)

Tclk ≥ Tco + Tlogic + Trouting + Tsetup - Tskew

其中，Tco為發(fā)端寄存器時鐘到輸出時間；Tlogic為組合邏輯延遲；Trouting為兩級寄存器之間的布線延遲；Tsetup為收端寄存器建立時間；Tskew為兩級寄存器的時鐘歪斜，其值等于時鐘同邊沿到達兩個寄存器時鐘端口的時間差；Tclk為系統(tǒng)所能達到的最小時鐘周期。

這里我們多說一下這個Tskew，skew分為兩種，positive skew和negative skew，其中positive skew見下圖，這相當于增加了后一級寄存器的觸發(fā)時間。

但對于negative skew，則相當于減少了后一級寄存器的觸發(fā)時間，如下圖所示。

當系統(tǒng)穩(wěn)定后，都會是positive skew的狀態(tài)，但即便是positive skew，綜合工具在計算時序時，也不會把多出來的Tskew算進去。

用下面這個圖來表示時序關系就更加容易理解了。為什么要減去Tskew，下面這個圖也更加直觀。

發(fā)送端寄存器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過Tco、Tlogic、Trouting后到達接收端，同時還要給接收端留出Tsetup的時間。而時鐘延遲了Tskew的時間，因此有：（公式2）

Tdata\_path + Tsetup < = Tskew + Tclk

對于同步設計Tskew可忽略(認為其值為0)，因為FPGA中的時鐘樹會盡量保證到每個寄存器的延遲相同。

公式中提到了建立時間，那保持時間在什么地方體現(xiàn)呢？

保持時間比較難理解，它的意思是reg1的輸出不能太快到達reg2，這是為了防止采到的新數(shù)據(jù)太快而沖掉了原來的數(shù)據(jù)。保持時間約束的是同一個時鐘邊沿，而不是對下一個時鐘邊沿的約束。

reg2在邊沿2時刻剛剛捕獲reg1在邊沿1時刻發(fā)出的數(shù)據(jù)，若reg1在邊沿2時刻發(fā)出的數(shù)據(jù)過快到達reg2，則會沖掉前面的數(shù)據(jù)。因此保持時間約束的是同一個邊沿。

在時鐘沿到達之后，數(shù)據(jù)要保持Thold的時間，因此，要滿足：（公式3）

Tdata\_path = Tco + Tlogic + Trouting ≥ Tskew + Thold

這兩個公式是FPGA的面試和筆試中經(jīng)常問到的問題，因為這種問題能反映出應聘者對時序的理解。

在公式1中，Tco跟Tsu一樣，也取決于芯片工藝，因此，一旦芯片型號選定就只能通過Tlogic和Trouting來改善Tclk。其中，Tlogic和代碼風格有很大關系，Trouting和布局布線的策略有很大關系。

關于時序約束的基本理論就講這么多，下篇講具體的約束。