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FPGA时序分析

fpga开发

FPGA时序部分不管是笔试还是面试都太容易被考察到了，把这部分的知识点进行汇总！
目录
时钟基本概念
时钟源
门控时钟
时钟延迟
时钟偏移（skew）
时钟抖动（jitter）
时序分析
什么是时序分析？
时序路径三要素
时序分析基本概念
上升沿&下降沿
建立时间&保持时间
clock arrive time
data arrive time
data required time
slack

时钟基本概念 时钟源 根据时钟源在数字设计模块中位置的不同，可以将时钟源分为外部时钟源和内部时钟源。
外部时钟源
RC/LC 振荡电路：利用正反馈或负反馈电路产生周期性变化时钟信号。此类时钟源电路简单，频率变化范围大，但工作频率较低，稳定度不高。
无源/有源晶体振荡器：利用石英晶体的压电效应（压力和电信号可以相互转换）产生谐振信号。此类时钟源频率精度高，稳定性好，噪声低，温漂小。有源晶振中，往往还加入了压控或温度补偿，时钟的相位和频率都有较好的特性。但电路实现相对复杂，频带较窄，频率基本不能调节。
FPGA时序分析
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调试特定电路时，往往也会使用一些搭建的特定电路（例如施密特触发器）或信号发生器设备产生的时钟源。
内部时钟源
锁相环（PLL， Phase Locked Loop）:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，通过反馈通路将信号倍频到一个较高的固定频率。
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一般晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，利用 PLL 电路就可以实现稳定且高频的时钟。PLL 集成到设计模块的内部，可以保证数字电路具有较好的延迟和稳定性。

FPGA时序分析
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在静态时序分析（STA）中，一个上升或者下降的波形通常用slew rate来表征其跳变的快与慢。Transition time就是用来记录这个信号在两个电平之间的转换时间。这里需要注意的是，transition time实际是slew rate的倒数。Transition time如果越大，那么slew rate就会越慢，反之亦然。
为了能量化这样的波形，我们近似采用一个线性上升或者下降的信号来模拟真实信号波形。这个线性区域的起点和终点，可能因为某些估算模型而有所不同。在STA中，我们有时候会采用比较宽松的约束模式，例如20%／80%、10%／90%。当然，我们也可以采用激进一些的模式，如30%／70%。
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门控时钟 FPGA时序分析
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如右图，产生了一个尖峰，因此我们尽量不要对时钟做运算，不要采用门控时钟
时钟延迟 时钟延迟包括源延迟、布线网络延迟、输入输出延迟
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源延迟：时钟信号从实际时钟原点到第一级寄存器交汇点的传输时间
布线网络延迟：是从设计模块时钟定义点到模块内触发器时钟端的传输时间，传输路径上可能经过缓冲器（buffer）
输入输出延迟：第一级寄存器交汇点到第一级寄存器的传输时间

时钟偏移（skew） 由于线网的延迟，时钟信号在到达触发器端口时，不能保证不同触发器端口的时钟沿是对齐的，即不同触发器端口的时钟相位存在差异。这种差异称为时钟偏移。示意图如下：
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一般时钟偏移与时钟频率没有直接的关系，与走线长度、负载电容、负载数量等因素有关。
同一个时钟信号到达两个不同寄存器之间的时间差值，时钟偏斜永远存在，到一定程度就会严重影响电路的时序

时钟抖动（jitter） 相对于理想时钟沿，实际时钟中存在的不随时间积累的、时而超前、时而滞后的偏移称为时钟抖动。可以用抖动频率和抖动幅度对时钟抖动进行定量描述。数字设计中，时钟抖动都是用时间来描述，示意图如下。
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【FPGA时序分析】时钟抖动可分为随机抖动和固定抖动。随机抖动的来源为热噪声、半导体工艺等。固定抖动的来源为开关电源、电磁干扰或其他不合理的布局布线等。
所谓抖动(jitter)，就是指两个时钟周期之间存在的差值，这个误差是在时 钟发生器内部产生的，和晶振或者 PLL 内部电路有关，布线对其没有影响

时序分析 什么是时序分析？ 时序分析本质上就是一种时序检查，目的是检查设计中所有的 D 触发器是否能够正常 工作，也就是检查 D 触发器的同步端口（数据输入端口）的变化是否满足建立时间要求 （Setup）和保持时间要求（Hold）；检查 D 触发器的异步端口（异步复位端口）的变化 是否满足恢复时间要求（Recovery）和移除时间要求（Removal）。
时序分析包括静态时序分析（STA）和动态时序分析。
动态时序分析：将布局布线生成的布线延迟信息反标注到门级网表中进行仿真，检查是 否存在时序违例。此时的仿真包括门延迟和布线延迟信息，能够较好反应芯片的实际工作情 况。因为不可能产生完备的测试向量，覆盖门级网表中的每一条路径。因此在动态时序分析 中，无法暴露一些路径上可能存在的时序问题。
静态时序分析：采用穷尽分析方法来提取出整个电路存在的所有时序路径，计算信号在 这些路径上的传播延时，检查信号的建立和保持时间是否满足时序要求，通过对最大路径延 时和最小路径延时的分析，找出违背时序约束的错误。它不需要输入向量就能穷尽所有的路 径，且运行速度很快、占用内存较少，不仅可以对芯片设计进行全面的时序功能检查，而且 还可利用时序分析的结果来优化设计，因此静态时序分析已经越来越多地被用到数字集成电 路设计的验证中。

时序路径三要素 FPGA时序分析
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源时钟路径：从源时钟的源节点（通常是 FPGA 的时钟输入引脚）到源寄存器的时钟 端口的路径。当时序路径的起点是 FPGA 输入端口时，该时序路径是没有源时钟路径的。
数据路径：从时序路径的起点到时序路径的终点之间的数据传播路径。时序路径的起点 可以是源寄存器的时钟端口或 FPGA 的输入端口，时序路径的终点可以是目的寄存器的输 入端口或 FPGA 的输出端口。
目的时钟路径：从目的时钟的源节点（通常是 FPGA 的时钟输入引脚）到目的寄存器 的时钟端口的路径。当时序路径的终点是 FPGA 的输出端口时，该时序路径是没有目的时 钟路径的。

时序分析基本概念 FPGA时序分析
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同步逻辑时序模型 如上图所示，T = tCO+tDELAY+tSU。时钟周期大于 T，触发器正常工 作；时钟周期小于 T，不满足建立时间，触发器可能经历亚稳态。
上升沿&下降沿
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1）Launch Edge：前级寄存器发送数据对应的时钟沿，是时序分析的起 点。
2）Latch Edge：后级寄存器捕获数据对应的时钟沿，是时序分析的终点
建立时间&保持时间
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建立时间Tsetup：在信号采样沿之前，数据要保持稳定的时间
保持时间Thold： 在信号采样沿之后，数据要保持稳定的时间

clock arrive time
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时钟到达时间：（clock arrive time）从时钟输出源到目的端寄存器的时钟输入管脚

data arrive time
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数据到达时间：（data arrive time）从launch edge开始到第二级寄存器输入的时间

data required time
寄存器数据对到达的时间的要求
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数据要求时间setup：Tclk2-Tsu
数据要求时间shold：Tclk2+Th
Tclk2-Tsu<寄存器数据保持稳定
slack
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SetupSlack =data required time – data arrival time
=（Tclk2-Tsu）—（launch edge+Tclk1+Tco+Tdata）
举个例子：
T=10nsTclk1=1nsTco =0.2nsTdata =https://www.it610.com/article/2nsTclk2=2nsTsu=0.5Slack=?
Data required time=clock arrival time – Tsu= 12-0.5=11.5ns
Data arriaval time= lauch edge +Tclk1+tco+tdata =https://www.it610.com/article/0+1+0.2+2 =3.2ns
Slack =data required time – data arrival time =11.5-3.2 =8.3n
时间余量有正有负，为负值时，不满足要求
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holdSlack = data arrival time –data required time
=（ next lauch edge +Tclk1+Tco+Tdata）—（Tclk2-Tsu）
举个例子：
T=10nsTclk1=1nsTco =0.2nsTdata =https://www.it610.com/article/2nsTclk2=2nsTsu=0.5nsThold =0.1nshold Slack=?
Data arriaval time= lauch edge +Tclk1+tco+tdata =https://www.it610.com/article/10+1+0.2+2 =13.2ns(下一个数据 的到达时间) Data required time=clock arrival time +Thold = 12+0.1=12.1ns
Slack =data required time – data arrival time=13.2-12.1=1.1ns



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