約束、時序分析的概念

很多人詢問關于約束、時序分析的問題，比如：如何設置setup，hold時間?如何使用全局時鐘和第二全局時鐘(長線資源)?如何進行分組約束?如何約束某部分組合邏輯?如何通過約束保證異步時鐘域之間的數(shù)據(jù)交換可靠?如何使用I/O邏輯單元內部的寄存器資源?如何進行物理區(qū)域約束，完成物理綜合和物理實現(xiàn)?為了解決大家的疑難，我們將逐一討論這些問題。(注：以下主要設計時序約束)

A 時序約束的概念和基本策略

時序約束主要包括周期約束(FFS到FFS，即觸發(fā)器到觸發(fā)器)和偏移約束(IPAD到FFS、FFS到OPAD)以及靜態(tài)路徑約束(IPAD到OPAD)等3種。通過附加約束條件可以使綜合布線工具調整映射和布局布線過程，使設計達到時序要求。例如用OFFSET_IN_BEFORE約束可以告訴綜合布線工具輸入信號在時鐘之前什么時候準備好，綜合布線工具就可以根據(jù)這個約束調整與IPAD相連的Logic Circuitry的綜合實現(xiàn)過程，使結果滿足FFS的建立時間要求。

附加時序約束的一般策略是先附加全局約束，然后對快速和慢速例外路徑附加專門約束。附加全局約束時，首先定義設計的所有時鐘，對各時鐘域內的同步元件進行分組，對分組附加周期約束，然后對FPGA/CPLD輸入輸出PAD附加偏移約束、對全組合邏輯的PAD TO PAD路徑附加約束。附加專門約束時，首先約束分組之間的路徑，然后約束快、慢速例外路徑和多周期路徑，以及其他特殊路徑。

B 附加約束的基本作用

提高設計的工作頻率

對很多數(shù)字電路設計來說，提高工作頻率非常重要，因為高工作頻率意味著高處理能力。通過附加約束可以控制邏輯的綜合、映射、布局和布線，以減小邏輯和布線延時，從而提高工作頻率。

獲得正確的時序分析報告

幾乎所有的FPGA設計平臺都包含靜態(tài)時序分析工具，利用這類工具可以獲得映射或布局布線后的時序分析報告，從而對設計的性能做出評估。靜態(tài)時序分析工具以約束作為判斷時序是否滿足設計要求的標準，因此要求設計者正確輸入約束，以便靜態(tài)時序分析工具輸出正確的時序分析報告。

指定FPGA/CPLD引腳位置與電氣標準

FPGA/CPLD的可編程特性使電路板設計加工和FPGA/CPLD設計可以同時進行，而不必等FPGA/CPLD引腳位置完全確定，從而節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)時間。這樣，電路板加工完成后，設計者要根據(jù)電路板的走線對FPGA/CPLD加上引腳位置約束，使FPGA/CPLD與電路板正確連接。另外通過約束還可以指定IO引腳所支持的接口標準和其他電氣特性。為了滿足日新月異的通信發(fā)展，Xilinx新型FPGA/CPLD可以通過IO引腳約束設置支持諸如AGP、BLVDS、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LDT、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVDSEXT、LVTTL、PCI、PCIX、SSTL、ULVDS等豐富的IO接口標準。另外通過區(qū)域約束還能在FPGA上規(guī)劃各個模塊的實現(xiàn)區(qū)域，通過物理布局布線約束，完成模塊化設計等。

C 周期(PERIOD)的含義

周期的含義是時序中最簡單也是最重要的含義，其它很多時序概念會因為軟件商不同略有差異，而周期的概念確是最通用的，周期的概念是FPGA/ASIC時序定義的基礎概念。后面要講到的其它時序約束都是建立在周期約束的基礎上的，很多其它時序公式，可以用周期公式推導。周期約束是一個基本時序和綜合約束，它附加在時鐘網(wǎng)線上，時序分析工具根據(jù)PERIOD約束檢查時鐘域內所有同步元件的時序是否滿足要求。PERIOD約束會自動處理寄存器時鐘端的反相問題，如果相鄰同步元件時鐘相位相反，那么它們之間的延遲將被默認限制為PERIOD約束值的一半。如下圖所示，

圖1 周期的定義

時鐘的最小周期為：

TCLK = TCKO +TLOGIC +TNET +TSETUP -TCLK_SKEW

TCLK_SKEW =TCD2 -TCD1

其中TCKO為時鐘輸出時間，TLOGIC為同步元件之間的組合邏輯延遲，TNET為網(wǎng)線延遲，TSETUP為同步元件的建立時間，TCLK_SKEW為時鐘信號TCD2和TCD1延遲的差別。

D 數(shù)據(jù)和時鐘之間的約束

為了確保芯片數(shù)據(jù)采樣可靠和下級芯片之間正確地交換數(shù)據(jù)，需要約束外部時鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的時序關系(或者內部時鐘和外部輸入/輸出數(shù)據(jù)之間的關系，這僅僅是從采用了不同的參照系罷了)。約束的內容為告訴綜合器、布線器輸入數(shù)據(jù)到達的時刻，或者輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時刻，從而保證與下一級電路的時序關系。

這種時序約束在Xilinx中用Setup to Clock(edge)，Clock(edge) to hold等表示。在Altera里常用tsu (Input Setup Times)、th (Input Hold Times)、tco (Clock to Out Delays)來表示。很多其它時序工具直接用setup和hold表示。其實他們所要描述的是同一個問題，僅僅是時間節(jié)點的定義上略有不同。下面依次介紹。

E 關于輸入到達時間

Xilinx的"輸入到達時間的計算"時序描述如下圖所示：

圖2 輸入到達時間示意圖

定義的含義是輸入數(shù)據(jù)在有效時鐘沿之后的TARRIVAL時刻到達。則，

TARRIVAL=TCKO+TOUTPUT+TLOGIC 公式1

根據(jù)上面介紹的周期(Period)公式，我們可以得到：

Tcko+Toutput+Tlogic+Tinput+Tsetup-Tclk_skew=Tclk; 公式2

將公式1代入公式2：Tarrival+Tinput+Tsetup-Tclk_skew=Tclk, 而Tclk_skew滿足時序關系后為負，所以

TARRIVAL +TINPUT+TSETUP

這就是Tarrival應該滿足的時序關系。其中TINPUT為輸入端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，TSETUP為輸入同步元件的建立時間。

F 數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)到達時間的關系

圖3 數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)到達時間示意圖

TDELAY為要求的芯片內部輸入延遲，其最大值TDELAY_MAX與輸入數(shù)據(jù)到達時間TARRIVAL的關系如上圖所示。也就是說：TDELAY_MAX+TARRIVAL=TPERIOD 公式4

所以：

TDELAY

G 要求輸出的穩(wěn)定時間

從下一級輸入端的延遲可以計算出當前設計輸出的數(shù)據(jù)必須在何時穩(wěn)定下來，根據(jù)這個數(shù)據(jù)對設計輸出端的邏輯布線進行約束，以滿足下一級的建立時間要求，保證下一級采樣的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。計算要求的輸出穩(wěn)定時間如下圖所示：

圖4 要求的輸出穩(wěn)定時間示意圖

公式的推導如下：

定義：TSTABLE = TLOGIC +TINPUT +TSETUP

從前面帖子介紹的周期(Period)公式，可以得到(其中TCLK_SKEW=TCLK1-TCLK2)：

TCLK=TCKO+TOUTPUT+TLOGIC+TINPUT+TSETUP+TCLK_SKEW

將TSTABLE的定義代入到周期公式，可以得到：

TCLK=TCKO+TOUTPUT+TSTABLE+TCLK_SKEW

所以：TCKO +TOUTPUT+TSTABLE

這個公式就是TSTABLE必須要滿足的基本時序關系，即本級的輸出應該保持怎么樣的穩(wěn)定狀態(tài)，才能保證下級芯片的采樣穩(wěn)定。有時我們也稱這個約束關系是輸出數(shù)據(jù)的保持時間的時序約束關系。只要滿足上述關系，當前芯片輸出端的數(shù)據(jù)比時鐘上升沿提早TSTABLE 時間穩(wěn)定下來，下一級就可以正確地采樣數(shù)據(jù)。其中TOUTPUT為設計中連接同步元件輸出端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，TCKO為同步元件時鐘輸出時間。

H 實施時序約束的方法和命令

實施上述約束的基本方法是，根據(jù)已知時序信息，推算需要約束的時間值，實施約束。具體地說是這樣的，首先對于一般設計，首先掌握的是TCLK,這個對于設計者來說是個已知量。前面介紹公式和圖中的TCKO和TSETUP(注：有的工具軟件對TCKO和TSETUP的定義與前面圖形不同，還包含了到達同步器件的一段logic的時延)是器件內部固有的一個時間量，一般我們選取典型值，對于FPGA，這個量值比較小，一般不大于1~2ns。比較難以確定的是TINPUT和TOUTPUT兩個時間量。

約束輸入時間偏移，需要知道TINPUT，TINPUT為輸入端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，PAD的延時也根據(jù)器件型號也有典型值可選，但是到達輸入端的組合邏輯電路和網(wǎng)線的延時就比較難以確定了，只能通過靜態(tài)時序分析工具分析，或者通過底層布局布線工具量取，有很大的經(jīng)驗和試探的成分在里面。

約束輸出時間偏移，需要知道TOUTPUT，TOUTPUT為設計中連接同步元件輸出端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，仍然是到達輸出端的組合邏輯電路和網(wǎng)線的延時就比較難以確定，需要通過靜態(tài)時序分析工具分析，或者通過底層布局布線工具量取，有很大的經(jīng)驗和試探的成分在里面。

約束的具體命令根據(jù)約束工具不同而異，首先說使用Xilinx器件的情況下，實施上述約束的命令和方法。Xilinx把上述約束統(tǒng)稱為：OFFSET約束(偏移約束)，一共有4個相關約束屬性：OFFSET_IN_BEFORE、OFFSET_IN_AFTER、OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER。其中前兩個屬性叫做輸入偏移(OFFSET_IN)約束，基本功能相似，僅僅是約束取的參考對象不同而已。后兩個屬性叫做輸出偏移(OFFSET_OUT)約束，基本功能相似，也是約束取的參考對象不同而已。為了便于理解，舉例說明。

輸入偏移約束：時鐘周期為20ns，前級寄存器的TCKO選擇1ns，前級輸出邏輯延時TOUTPUT為3ns，中間邏輯TLOGIC的延時為10ns，那么TARRIVAL=14ns，于是可以在數(shù)據(jù)輸入引腳附加NET DATA_IN OFFET=IN 14ns AFTER CLK約束，也可以使用OFFSET_IN_BEFORE對芯片內部的輸入邏輯進行約束，其語法如下：

NET DATA_IN OFFET=IN TDELAY BEFORE CLK

其中TDELAY為要求的芯片內部輸入延遲，其最大值與輸入數(shù)據(jù)到達時間TARRIVAL的關系:TDELAY_MAX + TARRIVAL = TPERIOD,所以TDELAY < TPERIOD - TARRIVAL = 20 - 14 =6 ns。

輸出偏移約束：設時鐘周期為20ns，后級輸入邏輯延時TINPUT為4ns、建立時間TSETUP為1ns，中間邏輯TLOGIC的延時為10ns，那么TSTABLE=15ns，于是可以在數(shù)據(jù)輸入引腳附加NET DATA_OUT OFFET=OUT 15ns BEFORE CLK約束，也可以直接對芯片內部的輸出邏輯直接進行約束，NET DATA_OUT OFFET=OUT TOUTPUT_DELAY AFTER CLK，其中TOUTPUT_DELAY為要求的芯片內部輸出延遲，其最大值與要求的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間TSTABLE的關系為：

TOUTPUT_DELAY_MAX+TSTABLE= TPERIOD。TOUT_DELAY< TPERIOD - TSTABLE = 20 - 15 = 5ns

I Altera對應的時序概念

下面主要介紹Altera對應的這些時序概念和約束方法。前面首先介紹的第一個時序概念是周期(Period)，這個概念是FPGA/ASIC通用的一個概念，各方的定義相當統(tǒng)一，至多是描述方式不同罷了，所有的FPGA設計都首先要進行周期約束，這樣做的好處除了在綜合與布局布線時給出規(guī)定目標外，還能讓時序分析工具考察整個設計的Fmax等。

Altera的周期定義如下圖所示，公式描述如下：

圖5 Altera 的 Period 示意圖

Clock Period = Clk-to-out + Data Delay + Setup Time - Clk Skew

即，Tclk= Tco+ B + Tsu-(E-C) Fmax =1/Tclk

對比一下前面的介紹，只要理解了B 包含了兩級寄存器之間的所有 logic 和 net 的延時就會發(fā)現(xiàn)與前面公式完全一致。

J Altera的其他基本時序概念

Clock Setup Time (tsu) 要想正確采樣數(shù)據(jù)，就必須使數(shù)據(jù)和使能信號在有效時鐘沿到達前就準備好，所謂時鐘建立時間就是指時鐘到達前，數(shù)據(jù)和使能已經(jīng)準備好的最小時間間隔。如下圖所示：

圖6 tsu示意圖

(注：這里定義Setup時間是站在同步時序整個路徑上的，需要區(qū)別的是另一個概念Micro tsu。Micro tsu指的是一個觸發(fā)器內部的建立時間，它是觸發(fā)器的固有屬性，一般典型值小于1~2ns。在Xilinx等的時序概念中，稱Altera的Micro tsu為setup時間，用Tsetup表示，請大家區(qū)分一下。回到Altera的時序概念，Altera的tsu定義如下：tsu = Data Delay – Clock Delay + Micro tsu)

Clock Hold Time (tH) 時鐘保持時間是只能保證有效時鐘沿正確采用的數(shù)據(jù)和使能信號的最小穩(wěn)定時間。其定義如下圖所示：

圖7 tH示意圖

定義的公式為：tH= Clock Delay – Data Delay + Micro tH

注：其中Micro tH是指寄存器內部的固有保持時間，同樣是寄存器的一個固有參數(shù)，典型值小于1～2ns。

Clock-to-Output Delay(tco) 這個時間指的是當時鐘有效沿變化后，將數(shù)據(jù)推倒同步時序路徑的輸出端的最小時間間隔。如下圖所示：

圖8 tco示意圖

tco = Clock Delay + Micro tco + Data Delay

(注：其中 Micor tco也是一個寄存器的固有屬性，指的是寄存器相應時鐘有效沿，將數(shù)據(jù)送到輸出端口的內部時間參數(shù)。它與Xilinx的時序定義中，有一個概念叫Tcko是同一個概念。)

Pin to Pin Delay (tpd) tpd指輸入管腳通過純組合邏輯到達輸出管腳這段路徑的延時，特別需要說明的是，要求輸入到輸出之間只有組合邏輯，才是tpd延時。

Slack是表示設計是否滿足時序的一個稱謂，正的slack表示滿足時序(時序的余量)，負的slack表示不滿足時序(時序的欠缺量)。slack的定義和圖形如下圖所示。

圖9 slack示意圖

Slack = Required clock period – Actual clock period

Slack = Slack clock period – (Micro tCO+ Data Delay + Micro tSU)

Clock Skew指一個同源時鐘到達兩個不同的寄存器時鐘端的時間偏移，如下圖所示。

圖10 clock skew示意圖

審核編輯：湯梓紅