FPGA案例解析：針對(duì)源同步的時(shí)序約束

約束流程

說到FPGA時(shí)序約束的流程，不同的公司可能有些不一樣。反正條條大路通羅馬，找到一種適合自己的就行了。從系統(tǒng)上來看，同步時(shí)序約束可以分為系統(tǒng)同步與源同步兩大類。簡(jiǎn)單點(diǎn)來說，系統(tǒng)同步是指FPGA與外部器件共用外部時(shí)鐘；源同步（SDR，DDR）即時(shí)鐘與數(shù)據(jù)一起從上游器件發(fā)送過來的情況。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們遇到的絕大部分都是針對(duì)源同步的時(shí)序約束問題。所以下文講述的主要是針對(duì)源同步的時(shí)序約束。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上收集的資料以及結(jié)合自己的使用習(xí)慣，我比較趨向于下面的約束流程方式：時(shí)序約束一共包含以下幾個(gè)步驟：時(shí)鐘約束、IO約束以及時(shí)序例外。這幾個(gè)步驟應(yīng)該可以解決我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)中絕大多數(shù)情況下的時(shí)序約束問題。

1. 首先約束時(shí)鐘。輸入時(shí)鐘，輸出時(shí)鐘。從種類 來看不外乎以下幾種：?jiǎn)味溯斎霑r(shí)鐘、差分輸入時(shí)鐘、GT或恢復(fù)時(shí)鐘(例如LVDS信號(hào)恢復(fù)出來的時(shí)鐘)、PLL產(chǎn)生的時(shí)鐘以及自己產(chǎn)生的門控時(shí)鐘。
2.IO約束。只有等待內(nèi)部時(shí)鐘完全通過后，再配置input delay和output delays，告知FPGA外部端口的數(shù)據(jù)時(shí)序關(guān)系。
3.時(shí)序例外。在約束完時(shí)鐘以及IO后，還是有時(shí)序違例的時(shí)候，注意檢查一下是否有時(shí)序例外的情況，例如多周期時(shí)鐘路徑、異步時(shí)鐘、常量、以及互斥時(shí)鐘路徑等等。

常用指令

下面我們就根據(jù)約束的流程來介紹一下每個(gè)步驟中的常用指令。

時(shí)鐘約束

常用指令：Create_clock、Create_generated_clock、derive pll_clocks、create_virtual_clock。

對(duì)時(shí)鐘的約束，首先要明確，我們要約束的時(shí)鐘有哪些，然后針對(duì)不同的時(shí)鐘進(jìn)行約束。下面針對(duì)不同類型的時(shí)鐘，對(duì)其約束的指令作簡(jiǎn)要分析。

單端輸入時(shí)鐘：

圖1 單端輸入時(shí)鐘約束

這里用到了create_clock，一開始不熟悉語法的同學(xué)可以通過Timequest 的GUI界面或者Templete里面的模板里找到該指令。

差分輸入時(shí)鐘：

差分輸入時(shí)鐘，只需約束P端輸入時(shí)鐘即可，方法同上。

PLL產(chǎn)生的時(shí)鐘：

針對(duì)PLL產(chǎn)生的時(shí)鐘一般有兩種方式。一種是通過derive pll_clocks即可，PLL會(huì)根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)，自行約束輸出時(shí)鐘。這樣做的好處就是，指令少，當(dāng)PLL煽出的時(shí)鐘比較多的時(shí)候，很有優(yōu)勢(shì)，不利的地方在于，PLL生產(chǎn)的時(shí)鐘名字命名不可把控，區(qū)分度不明顯，不利于后續(xù)的引用。所以我比較趨向于后面一種方式，是通過Create_clock、Create_generated_clock這兩條指令完成。

圖2 PLL生成的時(shí)鐘約束

首先用create_clock指令對(duì)輸入的時(shí)鐘clk_in進(jìn)行約束，然后通過create_generated_clock指令對(duì)PLL的輸出時(shí)鐘進(jìn)行約束，這里PLL的輸出時(shí)鐘只是做了90°的相位偏移，頻率不變。有童鞋可能會(huì)問，如果要倍頻或者分頻呢？該怎樣寫？說實(shí)話，一開始學(xué)的時(shí)候，我也記不得指令的格式。在這里，再一次強(qiáng)調(diào)，在初學(xué)的時(shí)候，沒有必要去糾結(jié)語法。很多時(shí)候，約束的時(shí)候，只需標(biāo)明用到的約束信息出來即可，再退一步講，可以通過GUI界面產(chǎn)生相應(yīng)的指令，你需要做的是明確相關(guān)的參數(shù)，知道怎么填就行啦，重點(diǎn)是理解時(shí)序約束的流程、應(yīng)該怎么去約束才是重點(diǎn)。

GT或恢復(fù)的時(shí)鐘

GT或恢復(fù)的時(shí)鐘（例如高速串口過來恢復(fù)出來的時(shí)鐘）針對(duì)這種情況，一般都是FPGA內(nèi)部用IP核恢復(fù)出來時(shí)鐘，約束格式同上。

圖3 GT或者恢復(fù)時(shí)鐘的約束

自己分頻的時(shí)鐘

（不建議這種方法，推薦PLL來產(chǎn)生，如果非要這樣做，務(wù)必添加約束）

圖4 自己生成的時(shí)鐘

虛擬時(shí)鐘create_virtual_clock

官網(wǎng)上的手冊(cè)推薦在IO約束的時(shí)候，使用虛擬時(shí)鐘，尤其是在約束輸入延遲的時(shí)候。虛擬時(shí)鐘表征的是上游器件內(nèi)部用于輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘(從另一個(gè)角度考慮，它表征的類似SDR模式中第一級(jí)D觸發(fā)器的時(shí)鐘)。通過約束告訴FPGA 的Input_Clock（實(shí)際上是Clock_Out）和虛擬時(shí)鐘(數(shù)據(jù))的相位關(guān)系。FPGA根據(jù)參數(shù)Input_delay在布線時(shí)進(jìn)行調(diào)整使得布線滿足時(shí)序要求。

圖5 虛擬時(shí)鐘關(guān)系

我們分邊沿對(duì)齊和中心對(duì)齊兩種模式對(duì)輸入進(jìn)行約束，對(duì)于邊沿對(duì)齊的信號(hào)，我們通常會(huì)將其輸入引腳輸入值專用的PLL輸入口，進(jìn)行90°相移。約束如下所示：注意在對(duì)齊模式下，圖6中對(duì)clk_in進(jìn)行約束時(shí)不需要進(jìn)行額外的移相，而僅對(duì)clock（經(jīng)過PLL后的輸出時(shí)鐘）進(jìn)行移相90°。

圖6 邊沿對(duì)齊輸入時(shí)鐘約束

create_clock-name virtual_clock -period 10

create_clock-name input_clock -period 10 [get_ports clock_in]

create_generated_clock-name plus_90_degrees -source [get_pins PLL|inclk[0]] -phase 90

對(duì)于中心對(duì)齊模式，其輸入時(shí)序模型如圖7所示，其約束圖下方所示。一般而言，對(duì)于中心對(duì)齊模式，我們FPGA內(nèi)部不會(huì)使用專門的鎖相環(huán)對(duì)齊進(jìn)行移相操作，但若依然使用PLL，上述邊沿對(duì)齊對(duì)PLL的約束方法依然有效。但對(duì)clk_in的約束依然要表現(xiàn)出和virtual clock的相位關(guān)系。

圖7 中心對(duì)齊輸入時(shí)序約束

create_clock -namevirtual_clock -period 10

create_clock -nameinput_clock -period 10 [get_ports clock_in] -waveform {2.5 7.5}

IO約束

IO的約束主要是指input_delay與output_delay這兩種，編譯軟件（ISE/Quartus）是個(gè)很強(qiáng)大而又很傻的工具，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，你務(wù)必要告訴他在FPGA外部的信號(hào)時(shí)序關(guān)系，他才能夠知道怎么去優(yōu)化內(nèi)部的時(shí)序，以滿足時(shí)序設(shè)計(jì)要求。

Set Input_delay

從輸入來看，無非有以下兩種情況：SDR與DDR。

SDR是指，數(shù)據(jù)只在時(shí)鐘的上升沿更新，而DDR是時(shí)鐘的上升沿與下降沿都會(huì)更新。按照時(shí)鐘與數(shù)據(jù)對(duì)齊方式來劃分，又可以分為沿對(duì)齊與中心對(duì)齊兩種。對(duì)于輸入延遲的獲取，一般來說有以下三種途徑：文中直接給出Tco、Tdata等參數(shù)；通過查閱上級(jí)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)；通過示波器來實(shí)測(cè)。查上游的器件手冊(cè)（主要看Tsu 與Th），那么可以推算出，F(xiàn)PGA輸入延遲的最值，為了方便描述，這里設(shè)定時(shí)鐘與數(shù)據(jù)在PCB上的傳輸延遲一致：

Input delay max = T – Tsu;

Input delay min = Th;

當(dāng)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)到達(dá)FPGA的延時(shí)不一致時(shí)，計(jì)算公式如下：

Input_delay_min = Th_min+ (T_data_max -T_clk_min)

Input_delay_max = T-Tsu_max+ (T_data_min -T_clk_max)

其中T_data是數(shù)據(jù)延時(shí)，T_clk是時(shí)鐘延時(shí)，由此可見在PCB布線的時(shí)候，務(wù)必讓時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的走線盡可能等長(zhǎng)。這樣不容易導(dǎo)致時(shí)序違例現(xiàn)象。（這個(gè)公式無論是中心對(duì)齊或者邊沿對(duì)齊都適用，只不過中心對(duì)齊與邊沿對(duì)齊他們的建立時(shí)間和保持時(shí)間計(jì)算不一樣而已，稍后說明。） 其中T為FPGA用于采集上游器件發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時(shí)鐘。又或者直接通過示波器觀察時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的延遲關(guān)系。有些情況，例如給定了相關(guān)數(shù)值的話（Tco ,data_delay等數(shù)值），可以直接算出輸入延遲。跟上一篇計(jì)算數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間里一樣，這里就不展開論述。

圖8 SDR中心對(duì)齊的輸入輸出延遲最值

圖9 SDR邊沿對(duì)齊的輸入輸出最值

回顧一下Tsu與Th的定義。setuptime :數(shù)據(jù)要能夠被Latch Edge正確鎖存，必須要在Latch Edge 到達(dá)之前保持穩(wěn)定，這個(gè)提前到達(dá)的最少時(shí)間量，就是建立時(shí)間。

Hold time : 數(shù)據(jù)要能夠被LatchEdge正確鎖存，除了在Latch Edge到達(dá)之前提前準(zhǔn)備好以外，還必須在Latch Edge到達(dá)后，保持穩(wěn)定一段時(shí)間。這段保持穩(wěn)定的時(shí)間，就是Hold time。圖中DVW是指數(shù)據(jù)有效值寬度，圖5中心對(duì)齊的情況下很好理解。對(duì)于圖6中提到的邊沿對(duì)齊情況，我覺得可以這么理解，在計(jì)算Tsu的時(shí)候，都是Latch時(shí)刻減去數(shù)據(jù)穩(wěn)定起始沿時(shí)刻；而Th是數(shù)據(jù)穩(wěn)定終止沿時(shí)刻減去Latch時(shí)刻。這么一算，不難可以得到在邊沿對(duì)齊的情況下，保持時(shí)間Th為負(fù)的。代入公式可得，邊沿對(duì)齊的情況下，input_delay_max=保持時(shí)間=-Th（這里的Th僅為數(shù)值，不帶符號(hào)）。

圖10輸入延遲約束

圖10中，左邊是通過查閱上游器件數(shù)據(jù)手冊(cè)得到的數(shù)據(jù)，右邊的是用示波器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。

注：在對(duì)DDR的約束中，記得時(shí)鐘下降沿約束的時(shí)候加上-clock_fall與-add_delay;上面列舉的例程中，原著中都沒有用到虛擬時(shí)鐘，但是官網(wǎng)手冊(cè)中也只是推薦使用，并沒有說一定要用虛擬時(shí)鐘?？磦€(gè)人喜好吧，如果要用虛擬時(shí)鐘，可以這樣約束,后續(xù)會(huì)列舉一個(gè)完整的例子。

Set output_delay

輸出延時(shí)的分析與輸入延時(shí)類似。這里設(shè)定時(shí)鐘與數(shù)據(jù)在PCB上的傳輸延遲一致：

output delay max = Tsu;

output delay min = -Th;

當(dāng)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)到達(dá)FPGA的延時(shí)不一致時(shí)，計(jì)算公式如下：

Output_delay_min= -Th_max + (Tdata_min-Tclk_max)

Output_delay_max=Tsu_max + (Tdata_max-Tclk_min)

其中，T_data是數(shù)據(jù)延遲；T_clk為時(shí)鐘的延遲。

上述是DDR中心對(duì)齊輸出的輸出延遲約束。

上述是DDR邊沿對(duì)齊輸出的輸出延遲約束。

SDR的輸出約束方式類似，這里就不在累贅了。

時(shí)序例外

時(shí)序例外一般用在clock與IO都約束后，還是不滿足時(shí)序要求的情況下。主要包括以下幾種情況：

1. 多周期set_milticycle_path（不推薦）
2. 不需要檢測(cè)路徑（常見，重要）set_false_path
3. 常量與偽常量
4.互斥的路徑
5. 異步時(shí)鐘（這種情況下，務(wù)必要確保邏輯上對(duì)異步時(shí)鐘域的信號(hào)做了處理，例如打兩拍，F(xiàn)IFO等手段處理）
6. 組合電路延時(shí)，即邏輯不經(jīng)過任何時(shí)鐘處理就輸出的情況。

個(gè)人比較取向與set_false_path與set_clock_groups-exclusive。

編輯：hfy