FPGA設(shè)計(jì)中時(shí)序分析設(shè)計(jì)方案詳解
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時(shí)序分析時(shí)FPGA設(shè)計(jì)中永恒的話題，也是FPGA開發(fā)人員設(shè)計(jì)進(jìn)階的必由之路。慢慢來，先介紹時(shí)序分析中的一些基本概念。
1 [_^a:ad204531!]時(shí)鐘相關(guān)
時(shí)鐘的時(shí)序特性主要分為抖動(dòng)(Jitter)、偏移(Skew)、占空比失真(Duty Cycle Distortion)3點(diǎn)。對(duì)于低速設(shè)計(jì)，基本不用考慮這些特征;對(duì)于高速設(shè)計(jì)，由于時(shí)鐘本身的原因造成的時(shí)序問題很普遍，因此必須關(guān)注。
2 時(shí)鐘抖動(dòng) (clock jitter)
理想的時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該是理想的方波，但是現(xiàn)實(shí)中的時(shí)鐘的邊沿變化不可能是瞬變的，它有個(gè) 從低到高 / 從高到低 的變化過程，如圖1所示。
常見的抖動(dòng)參數(shù)有3種
周期抖動(dòng)(Period Jitter)：
周期抖動(dòng)率(Period Jitter)測量時(shí)鐘輸出傳輸偏離其理想位置的最大偏離。Period Jitter代表周期差抖動(dòng)的上下邊界。
周期差抖動(dòng)(cycle-to-cycle Jitter)：
周期差抖動(dòng)率(cycle-to-cycle jitter)是兩個(gè)相鄰周期的時(shí)間偏差。它總是小于周期抖動(dòng)(period jitter)
長期抖動(dòng)(Long-term Jitter)：
長期抖動(dòng)率如下圖(Long-Term Jitter)定義為一個(gè)時(shí)鐘沿相對(duì)于基準(zhǔn)周期時(shí)鐘沿經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)之后，與其理想位置的偏離。此測量可以捕獲鎖相環(huán)低頻周期變化(緩慢的，頻率很低的)。長期抖動(dòng)對(duì)圖形、串行連接通訊系統(tǒng)、打印機(jī)和任何光柵掃描操作非常重要。
時(shí)鐘抖動(dòng)的原因就是噪聲。時(shí)鐘抖動(dòng)是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到可以和時(shí)鐘周期相比擬的時(shí)候，會(huì)影響到設(shè)計(jì)，這樣的抖動(dòng)是不可接受的。
3 時(shí)鐘偏斜 (clock skew)
時(shí)鐘信號(hào)要提供給整個(gè)電路的時(shí)序單元，所以時(shí)鐘信號(hào)線非常長，并構(gòu)成分布式的RC網(wǎng)路。它的延時(shí)與時(shí)鐘線的長度、時(shí)序單元的負(fù)載電容、個(gè)數(shù)有關(guān)，所以產(chǎn)生所謂的時(shí)鐘偏移。時(shí)鐘偏移是指同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)兩個(gè)不同的寄存器之間的時(shí)間差值，根據(jù)差值可以分為正偏移和負(fù)偏移。
時(shí)鐘偏移的計(jì)算公式：Tskew = Tclk2 - Tclk1
時(shí)鐘偏移是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到一定程度會(huì)影響電路的時(shí)序。解決方法就是在FPGA的設(shè)計(jì)中讓主要的時(shí)鐘信號(hào)走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用全銅工藝和樹狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了專用時(shí)鐘緩沖和驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，到所有的IO單元、CLB和塊RAM的偏移非常小，可以忽略不計(jì)。
4 占空比失真[_^a:87d82ccb!]DCD (Duty Cycle Distortion)
即時(shí)鐘不對(duì)稱，時(shí)鐘的脈沖寬度發(fā)生了變化。DCD會(huì)吞噬大量的時(shí)序裕量，造成數(shù)字信號(hào)的失真，使過零區(qū)間偏離理想的位置。DCD通常是由信號(hào)的上升沿和下降沿之間時(shí)序不同而造成的。
5 信號(hào)扇入/扇出 (fan-in/fan-out)
The number of circuits that can be fed input signals from an output device. 扇出，輸出可從輸出設(shè)備輸入信號(hào)的電路的數(shù)量。
扇出(fan-out)是定義單個(gè)邏輯門能夠驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)輸入最大量的術(shù)語。大多數(shù)TTL邏輯門能夠?yàn)?0個(gè)其他數(shù)字門或驅(qū)動(dòng)器提供信號(hào)。因而，一個(gè)典型的TTL邏輯門有10個(gè)扇出信號(hào)。
在一些數(shù)字系統(tǒng)中，必須有一個(gè)單一的TTL邏輯門來驅(qū)動(dòng)10個(gè)以上的其他門或驅(qū)動(dòng)器。這種情況下，被稱為緩沖器(buf)的驅(qū)動(dòng)器可以用在TTL邏輯門與它必須驅(qū)動(dòng)的多重驅(qū)動(dòng)器之間。這種類型的緩沖器有25至30個(gè)扇出信號(hào)。邏輯反向器(也被稱為非門)在大多數(shù)數(shù)字電路中能夠輔助這一功能。
模塊的扇出是指模塊的直屬下層模塊的個(gè)數(shù)。一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)平均扇出是3或4。一個(gè)模塊的扇出數(shù)過大或過小都不理想，過大比過小更嚴(yán)重。一般認(rèn)為扇出的上限不超過7。扇出過大意味著管理模塊過于復(fù)雜，需要控制和協(xié)調(diào)過多的下級(jí)。解決的辦法是適當(dāng)增加中間層次。一個(gè)模塊的扇入是指有多少個(gè)上級(jí)模塊調(diào)用它。扇人越大，表示該模塊被更多的上級(jí)模塊共享。這當(dāng)然是我們所希望的。但是不能為了獲得高扇人而不惜代價(jià)，例如把彼此無關(guān)的功能湊在一起構(gòu)成一個(gè)模塊，雖然扇人數(shù)高了，但這樣的模塊內(nèi)聚程度必然低。這是我們應(yīng)避免的。
設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)，上層模塊有較高的扇出，下層模塊有較高的扇人。其結(jié)構(gòu)圖像清真寺的塔，上面尖，中間寬，下面小。
6 launch edge
時(shí)序分析起點(diǎn)(launch edge)：第一級(jí)寄存器數(shù)據(jù)變化的時(shí)鐘邊沿，也是靜態(tài)時(shí)序分析的起點(diǎn)。
7 latch edge
時(shí)序分析終點(diǎn)(latch edge)：數(shù)據(jù)鎖存的時(shí)鐘邊沿，也是靜態(tài)時(shí)序分析的終點(diǎn)。
8 Clock-to-Output Delay
數(shù)據(jù)輸出延時(shí)(Tco)：這個(gè)時(shí)間指的是當(dāng)時(shí)鐘有效沿變化后，數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端的最小時(shí)間間隔。
9 寄存器建立/保持時(shí)間 Setup/Hold Time
建立時(shí)間(setup time)是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。輸入信號(hào)應(yīng)提前時(shí)鐘上升沿(如上升沿有效)T 時(shí)間到達(dá)芯片，這個(gè)T 就是建立時(shí)間Setup time。簡而言之，時(shí)鐘邊沿觸發(fā)前，要求數(shù)據(jù)必須存在一段時(shí)間，這就是器件需要的建立時(shí)間。如不滿足setup time，這個(gè)數(shù)據(jù)就不能被這一時(shí)鐘打入觸發(fā)器，只有在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)才能被打入觸發(fā)器。
保持時(shí)間(hold time)是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。簡而言之，時(shí)鐘邊沿觸發(fā)后，數(shù)據(jù)也必須保持一段時(shí)間，以便能夠穩(wěn)定讀取，這就是器件需要的保持時(shí)間。如果hold time 不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。
如果不滿足建立和保持時(shí)間的話，那么DFF(D type flip-flop/D類型觸發(fā)器) 將不能正確地采樣到數(shù)據(jù)，將會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)(metastability )的情況。如果數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘沿觸發(fā)前后持續(xù)的時(shí)間均超過建立和保持時(shí)間，那么超過量就分別被稱為建立時(shí)間裕量和保持時(shí)間裕量。
10 Data Arrival Time
輸入數(shù)據(jù)在有效時(shí)鐘沿后到達(dá)所需要的時(shí)間。主要分為三部分：時(shí)鐘到達(dá)寄存器時(shí)間(Tclk1)，寄存器輸出延時(shí)(Tco)和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)(Tdata)
Data Arrival Time = Launch edge + Tclk1 +Tco + Tdata
11 Clock Arrival Time
時(shí)鐘從latch邊沿到達(dá)鎖存寄存器時(shí)鐘輸入端所消耗的時(shí)間為時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間。
Clock Arrival Time = Lacth edge + Tclk2
12 建立裕量 Setup Slack
當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，就說時(shí)間有余量，Slack是表示設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序的一個(gè)稱謂。
Setup slack = Data Required Time - Data Arrival Time
正的slack表示數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間，滿足時(shí)序(時(shí)序的余量)，負(fù)的slack表示數(shù)據(jù)需求時(shí)間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間，不滿足時(shí)序(時(shí)序的欠缺量)。
13 Recovery/Removal Time
Recovery time is the minimum length of time an asynchronous control signal, for example, and preset, must be stable before the next active clock edge. The recovery slack time calculation is similar to the clock setup slack time calculation, but it applies asynchronous control signals.
Removal time is the minimum length of time an asynchronous control signal must be stable after the active clock edge. The TimeQuest analyzer removal time slack calculation is similar to the clock hold slack calculation, but it applies asynchronous control signals.
recovery time specifies the time the inactive edge of the asynchronous signal has to arrive before the closing edge of the clock.
Removal time specifies the length of time the active phase of the asynchronous signal has to be held after the closing edge of the clock.
也就是說Recovery / Removal time類似于Setup / Hold Time，不過是用于異步信號(hào)，比如set，reset信號(hào)。他們檢查異步型號(hào)的邊沿，釋放沿必須在時(shí)鐘沿前面提前recovery time釋放，或者在時(shí)鐘沿后removal time之后釋放。注意異步復(fù)位亞穩(wěn)態(tài)問題!
14 最大時(shí)鐘頻率
時(shí)鐘最小周期：系統(tǒng)時(shí)鐘能運(yùn)行的最高頻率。
（1）當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，時(shí)鐘具有余量;
（2）當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，不滿足時(shí)序要求，寄存器經(jīng)歷亞穩(wěn)態(tài)或者不能正確獲得數(shù)據(jù);
（3）當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間等于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，這是最小時(shí)鐘運(yùn)行頻率，剛好滿足時(shí)序。
最小時(shí)鐘周期為數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間等于數(shù)據(jù)需求時(shí)間。
15 時(shí)序分析
分析第9節(jié)的圖，數(shù)據(jù)傳播的路徑從上一級(jí)觸發(fā)器到下一級(jí)觸發(fā)器建立經(jīng)過的數(shù)據(jù)時(shí)延總和為：Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup-slack + Tsu
在兩級(jí)寄存器之間，時(shí)鐘間隔為：Tclk + Tclk2
根據(jù)建立時(shí)間要求(在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來的時(shí)候，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，且保持一定的時(shí)間Tsu)可以列一個(gè)不等式：數(shù)據(jù)時(shí)延 < 時(shí)鐘間隔，即
Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup-slack + Tsu <= Tclk + Tclk2
同理，根據(jù)保持時(shí)間要求(時(shí)鐘上升沿到來后，寄存器鎖存數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)要保持一定的穩(wěn)定時(shí)間Th)可以列一個(gè)不等式：
Tco + Tdata <= Th
隨著系統(tǒng)時(shí)鐘 fclk 變大時(shí)，Tclk變小，則要求 Tco + Tdata 也變小，當(dāng) Tco + Tdata 不滿足第一個(gè)不等式時(shí)，不滿足建立時(shí)間要求;但是，Tco + Tdata 也不是越小越好，當(dāng)其太小時(shí)，不滿足第二個(gè)不等式時(shí)，觸發(fā)器不能正常鎖存數(shù)據(jù)，即不滿足保持時(shí)間要求。從某種意義上說，Th限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。
對(duì)于設(shè)計(jì)者來說最大的目的是提高時(shí)序的裕量，這樣即使信號(hào)完整性上出現(xiàn)一點(diǎn)問題，或者外界環(huán)境發(fā)生一定的變化，系統(tǒng)仍然能正常工作，這就是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)該體現(xiàn)出的超強(qiáng)的穩(wěn)定性。
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