如何讀懂Vivado時(shí)序報(bào)告

FPGA開(kāi)發(fā)過(guò)程中，vivado和quartus等開(kāi)發(fā)軟件都會(huì)提供時(shí)序報(bào)告，以方便開(kāi)發(fā)者判斷自己的工程時(shí)序是否滿足時(shí)序要求。

本文將詳細(xì)介紹如何讀懂Vivado時(shí)序報(bào)告，包括報(bào)告的基本結(jié)構(gòu)和如何分析報(bào)告。

一、新建工程

使用vivado創(chuàng)建一個(gè)新的工程，添加verilog代碼文件，內(nèi)容如下：

复制module xdc_test
(
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [3:0] data_cnt
);

always @(posedge clk or posedge reset)begin
    if(reset)
        data_cnt <= 'b0;
    else
        data_cnt <= data_cnt + 1'b1;
end
endmodule

創(chuàng)建xdc文件，并添加時(shí)序約束：

复制create_clock -period 6.6667 -name clk -waveform {0.000 5.000} [get_ports clk]

如果需要了解時(shí)序約束如何添加，可以看下上一篇文章《FPGA時(shí)序約束--實(shí)戰(zhàn)篇（Vivado添加時(shí)序約束）》

點(diǎn)擊“generate bitestream”，開(kāi)始綜合、布線和生成bit文件。

綜合完成后，可以在“Design run”界面，看到整個(gè)工程時(shí)序滿足情況，主要資源消耗、編譯時(shí)間等等信息，如下圖。

二、時(shí)序報(bào)告分析

1、打開(kāi)時(shí)序報(bào)告界面

（1）方法1

點(diǎn)擊“實(shí)現(xiàn)implementation”下的“report timing summary”選項(xiàng)。

彈出時(shí)序顯示設(shè)置界面，如下圖所示，點(diǎn)擊OK。

（2）方法2

點(diǎn)擊功能欄“∑”，在“Timing”界面下，點(diǎn)擊“Implementation Timing Report”。

2、時(shí)序報(bào)告界面介紹

Timing界面左側(cè)是時(shí)序信息總覽、時(shí)鐘和時(shí)序路徑分類，右側(cè)是時(shí)序信息總覽詳細(xì)信息，包括Setup、Hold以及Pulse Width檢查最差的各10條路徑。

這里有幾個(gè)重要的參數(shù)信息名稱：

WNS (Worst Negative Slack) ：最差負(fù)時(shí)序裕量

TNS(Total Negative Slack) ：總的負(fù)時(shí)序裕量 ，也就是負(fù)時(shí)序裕量路徑之和。WHS (Worst Hold Slack) ：最差保持時(shí)序裕量

THS (Total Hold Slack) ：總的保持時(shí)序裕量，也就是負(fù)保持時(shí)序裕量路徑之和。

這些參數(shù)如果為負(fù)或者顏色變?yōu)榧t色，則表示出現(xiàn)了時(shí)序違例，否則表示時(shí)序正常。

3、時(shí)序路徑分析

點(diǎn)擊時(shí)序報(bào)告界面中WNS的數(shù)值，如上面報(bào)告中的“5.875ns”，則會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到時(shí)序最差路徑的界面。

主要參數(shù)信息含義如下：

slack：時(shí)間裕量

level：邏輯級(jí)數(shù)，表示兩個(gè)寄存器之間存在的組合邏輯層數(shù)

fanout：扇出數(shù)，表示一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的所有接收端的數(shù)量

from：路徑起始位置，包含HDL代碼中的起始寄存器

to：路徑結(jié)束位置，包含HDL代碼中的起始寄存器的下一級(jí)寄存器

Total Delay：整個(gè)路徑的總體延時(shí)

Logic Delay：整個(gè)路徑的邏輯延時(shí)

Source Clock：路徑起始寄存器的時(shí)鐘

Destination Clock：路徑終點(diǎn)寄存器的時(shí)鐘

Requirement：時(shí)鐘周期，即路徑延時(shí)最大值

如果slack出現(xiàn)紅色值，且為負(fù)值，則表示出現(xiàn)了時(shí)序違例。

另外通過(guò)看level和fanout，可以看到路徑時(shí)序違例的原因，level值過(guò)大，則表示邏輯層數(shù)太多，需要考慮將這條路徑對(duì)應(yīng)HDL代碼分成幾拍完成；如果fanout值過(guò)大，則表示該寄存器的扇出過(guò)大。

雙擊任意一條時(shí)序路徑，以“path1”為例，即可進(jìn)入該路徑的時(shí)序具體信息，主要包括summary（總覽）、Source Clock Path（源時(shí)鐘路徑）、Data Path（數(shù)據(jù)路徑）、Destination Clock Path（目的時(shí)鐘路徑）。

這里可以查看到具體的時(shí)序布線情況，以及時(shí)序違例的原因。

三、總結(jié)

時(shí)序報(bào)告是Vivado中必不可少的工具，它可以幫助我們了解電路的時(shí)序性能，并找出潛在的時(shí)序問(wèn)題。通過(guò)分析時(shí)序報(bào)告，我們可以確定關(guān)鍵路徑延遲、slack和每個(gè)信號(hào)路徑的延遲等信息，并找到需要優(yōu)化和調(diào)整的地方。如果存在時(shí)序問(wèn)題，我們可以通過(guò)修改代碼、時(shí)序約束或重新布局/重分配電路來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。