FPGA STA(静态时序分析)

1 FPGA设计过程中所遇到的路径有输入到触发器，触发器到触发器，触发器到输出，如下图所示：



这些路径与输入延时输出延时，建立和保持时序有关。

2. 应用背景

　　静态时序分析简称STA，它是一种穷尽的分析方法，它按照同步电路设计的要求，根据电路网表的拓扑结构，计算并检查电路中每一个DFF（触发器）的建立和保持时间以及其他基于路径的时延要求是否满足。STA作为FPGA设计的主要验证手段之一，不需要设计者编写测试向量，由软件自动完成分析，验证时间大大缩短，测试覆盖率可达100%。

　　静态时序分析的前提就是设计者先提出要求，然后时序分析工具才会根据特定的时序模型进行分析，给出正确是时序报告。

　　进行静态时序分析，主要目的就是为了提高系统工作主频以及增加系统的稳定性。对很多数字电路设计来说，提高工作频率非常重要，因为高工作频率意味着高处理能力。通过附加约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线，以减小逻辑和布线延时，从而提高工作频率。

3. 理论分析

3.1 静态时序分析的理论基础知识

　　在进行正确的时序分析前，我们必须具备基本的静态时序的基本知识点，不然看着编译器给出的时序分析报告犹如天书。如图3.1所示，为libero软件给出的寄存器到寄存器模型的时序分析报告的截取，接下来我们会弄清楚每个栏目的数据变量的含义，以及计算方法。



图3.1 libero静态时序分析报告

3.1.1 固定参数launch edge、latch edge、Tsu、Th、Tco概念

1. launch edge

　　时序分析起点（launch edge）：第一级寄存器数据变化的时钟边沿，也是静态时序分析的起点。

2. latch edge

　　时序分析终点（latch edge）：数据锁存的时钟边沿，也是静态时序分析的终点。

3. Clock Setup Time (Tsu)

　　建立时间（Tsu）：是指在时钟沿到来之前数据从不稳定到稳定所需的时间，如果建立的时间不满足要求那么数据将不能在这个时钟上升沿被稳定的打入触发器。如图3.2所示：



图3.2 建立时间图解

4. Clock Hold Time (Th)

　　保持时间（Th）：是指数据稳定后保持的时间，如果保持时间不满足要求那么数据同样也不能被稳定的打入触发器。保持时间示意图如图3.3所示：



图3.3 保持时间图解

5. Clock-to-Output Delay（tco）

　　数据输出延时（Tco）：这个时间指的是当时钟有效沿变化后，数据从输入端到输出端的最小时间间隔。

3.1.2 Clock skew

　　时钟偏斜（clock skew）：是指一个时钟源到达两个不同寄存器时钟端的时间偏移，如图3.4所示：



图3.4 时钟偏斜

　　时钟偏斜计算公式如下：

Tskew = Tclk2 - Tclk1　　　　　　　　　　　　　　　　（公式3-1）

3.1.3 Data Arrival Time

　　数据到达时间（Data Arrival Time）：输入数据在有效时钟沿后到达所需要的时间。主要分为三部分：时钟到达寄存器时间（Tclk1），寄存器输出延时（Tco）和数据传输延时（Tdata），如图3.5所示



图3.5 数据到达时间

　　数据到达时间计算公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　Data Arrival Time = Launch edge + Tclk1 +Tco + Tdata　　　　　　　　　　　　（公式3-2）

3.1.4 Clock Arrival Time

　　时钟到达时间（Clock Arrival Time）：时钟从latch边沿到达锁存寄存器时钟输入端所消耗的时间为时钟到达时间，如图3.6所示



图3.6 时钟到达时间

时钟到达时间计算公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　Clock Arrival Time = Lacth edge + Tclk2　　　　　　　　　　　　　　（公式3-3）

3.1.5 Data Required Time（setup/hold）

　　数据需求时间（Data Required Time）：在时钟锁存的建立时间和保持时间之间数据必须稳定，从源时钟起点达到这种稳定状态需要的时间即为数据需求时间。如图3.7所示：



图3.7 数据需求时间

　　（建立）数据需求时间计算公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　Data Required Time = Clock Arrival Time - Tsu　　　　　　　　　　　　（公式3-4）

　　（保持）数据需求时间计算公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Data Required Time = Clock Arrival Time + Th　　　　　　　　　　　 （公式3-5）　

3.1.6 Setup slack

　　建立时间余量（setup slack）：当数据需求时间大于数据到达时间时，就说时间有余量，Slack是表示设计是否满足时序的一个称谓。



图3.8 建立时间余量

　　如图3.8所示，建立时间余量的计算公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　Setup slack = Data Required Time - Data Arrival Time　　　　　　　　　　　　（公式3-6）

　　由公式可知，正的slack表示数据需求时间大于数据到达时间，满足时序（时序的余量），负的slack表示数据需求时间小于数据到达时间，不满足时序（时序的欠缺量）。

3.1.7 时钟最小周期

　　时钟最小周期：系统时钟能运行的最高频率。

　　1.　 当数据需求时间大于数据到达时间时，时钟具有余量；

　　2. 当数据需求时间小于数据到达时间时，不满足时序要求，寄存器经历亚稳态或者不能正确获得数据；

　　3. 当数据需求时间等于数据到达时间时，这是最小时钟运行频率，刚好满足时序。

　　从以上三点可以得出最小时钟周期为数据到达时间等于数据需求时间，的运算公式如下：

　　　　　　　　　　　　Data Required Time = Data Arrival Time　　　　　　　　　　　　　　　　（公式3-7）　　　　　　　　

　　由上式推出如下公式：

Tmin + Latch edge + Tclk2 - Tsu = Launch edge + Tclk1 + Tco + Tdata

　　最终推出最小时钟周期为：

　　　　　　　　　　　　Tmin = Tco + Tdata + Tsu - Tskew　　　　　　　　　　　　　　　　　　（公式3-8）

4. 应用分析

4.1 设置时钟主频约束

　　所有的静态时序分析都是在有约束的情况下编译器才给出分析报告，所以进行时序分析的第一步就是设置约束。

　　Libero软件设置时钟约束的途径三种，单时钟约束，多时钟约束和在Designer里面进行约束。

4.1.1 单时钟约束

　　有时我们系统所有模块都采用同一个时钟，这种方式最为简单，直接在Synplify主界面上有个设置时钟约束的，如图4.1中红框所示：



图4.1 单时钟设置

　　设置完成后，编译，通过Synplify时钟报告看初步时钟运行频率能否达到要求，时钟报告如图4.2所示，设定100Mhz，能运行102.7Mhz，满足时序。



图4.2 时序报告

4.2 多时钟约束

　　当系统内部模块采用了多个时钟时，那就需要进行多时钟约束了。首先需要打开设置界面，在Synplify中选择：File->New->Constraint File建立SDC文件，选择时钟约束如图4.3所示：



图4.3 多时钟约束

　　对时钟进行如下约束后保存SDC文件，约束如图4.4所示　



图4.4 多时钟约束完成

4.3 Designer SmartTime时钟约束

　　时钟约束除了在Synplify中可以约束外，还可以在Designer SmartTime中设置时钟约束，打开Designer Constraint，选择Clock进行针对每个使用时钟的设置，如图4.5所示：



图4.5 Designer时序约束

4.4 时序报告分析

4.4.1 Synplify时序报告

　　当约束了时序后，需要观察时序报告，看时钟能否达到我们需要的时钟，首先观察Synplify综合报告。以多时钟约束为例子，从Synplify得到的时序报告如图4.6所示：



图4.6 多时钟约束时序报告

由上图可知时序都满足约束，未出现违规，可以在下面的报告中查看最差路径，如图4.7所示是clk2的最差路径。



图4.7 最差路径

4.4.2 Designer SmartTime时序分析报告

　　当设计经过Synplify综合给出网表文件后，还需要Designer进行布局布线，通过布局布线优化后的时序会有变化，因此，还需要分析布局布线后的时序，打开Designer->Timing Analyzer查阅整体时序分析报告如图4.8所示：



图4.8 布局布线后时序报告

　　由Synplify综合后的报告和Designer进行布局布线后的报告可以看出，布局布线后优化了一些时序，特别是clk2时钟，通过布局布线后优化到了184Mhz，完全满足时序。

4.4.3 详细时序报告图

　　通过Synplify综合后的和Designer进行布局布线都只是看到了一个大体的时序报告，当我们需要分析时序时候必须观察仔细的时序报告，在SmartTime中提供这种报告功能，以clk2分析为例，在Timing Analyzer找到如下区域。



图4.9 时序报告选择

　　如图4.9所示，选择寄存器到寄存器进行分析时钟主频。



图4.10 寄存器到寄存器分析

　　如图4.10所示，时序报告中给出了数据延时，时序余量，数据到达时间，数据需求时间，数据建立时间，以及最小周期和时钟偏斜等信息，有了上一节的时序分析基础知识，我们完全能看懂这些数据代表的意义，这样对我们时序分析就知己知彼，进一步双击其中一条路径，还会给出这条路径的硬件电路图，如图4.11所示，有了这些详细的时序报告，对设计进行调整更加清晰。


图4.11 硬件路径

1.1 概述

　　在高速系统中FPGA时序约束不止包括内部时钟约束，还应包括完整的IO时序约束和时序例外约束才能实现PCB板级的时序收敛。因此，FPGA时序约束中IO口时序约束也是一个重点。只有约束正确才能在高速情况下保证FPGA和外部器件通信正确。

1.2 FPGA整体概念

　　由于IO口时序约束分析是针对于电路板整个系统进行时序分析，所以FPGA需要作为一个整体分析，其中包括FPGA的建立时间、保持时间以及传输延时。传统的建立时间、保持时间以及传输延时都是针对寄存器形式的分析。但是针对整个系统FPGA的建立时间保持时间可以简化。



　　图1.1 FPGA整体时序图

　　如图1.1所示，为分解的FPGA内部寄存器的性能参数：

　　（1） Tdin为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器输入端的延时；

　　（2） Tclk为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器时钟端的延时；

　　（3） Tus/Th为FPGA内部寄存器的建立时间和保持时间；

　　（4） Tco为FPGA内部寄存器传输时间；

　　（5） Tout为从FPGA寄存器输出到IO口输出的延时；

　　对于整个FPGA系统分析，可以重新定义这些参数：FPGA建立时间可以定义为：

　　（1） FPGA建立时间：FTsu = Tdin + Tsu – Tclk；

　　（2） FPGA保持时间：FTh = Th + Tclk；

　　（3） FPGA数据传输时间：FTco = Tclk + Tco + Tout；

　　由上分析当FPGA成为一个系统后即可进行IO时序分析了。FPGA模型变为如图1.2所示。



图1.2 FPGA系统参数

1.3 输入最大最小延时

　　外部器件发送数据到FPGA系统模型如图1.3所示。对FPGA的IO口进行输入最大最小延时约束是为了让FPGA设计工具能够尽可能的优化从输入端口到第一级寄存器之间的路径延迟，使其能够保证系统时钟可靠的采到从外部芯片到FPGA的信号。



图1.3 FPGA数据输入模型

　　输入延时即为从外部器件发出数据到FPGA输入端口的延时时间。其中包括时钟源到FPGA延时和到外部器件延时之差、经过外部器件的数据发送Tco，再加上PCB板上的走线延时。如图1.4所示，为外部器件和FPGA接口时序。



图1.4 外部器件和FPGA接口时序

1. 最大输入延时

　　最大输入延时（input delay max）为当从数据发送时钟沿（lanuch edge）经过最大外部器件时钟偏斜（Tclk1），最大的器件数据输出延时（Tco），再加上最大的PCB走线延时（Tpcb），减去最小的FPGA时钟偏移（FTsu）的情况下还能保证时序满足的延时。这样才能保证FPGA的建立时间，准确采集到本次数据值，即为setup slack必须为正，如图1.1的所示，计算公式如下式所示：

　　　　Setup slack =（Tclk + Tclk2(min)）–（Tclk1(max) +Tco(max) +Tpcb(max) +FTsu）≥0

　　推出如下公式：

　　　　Tclk1(max) + Tco(max) + Tpcb(max) –Tclk2(min) ≤
Tclk + FTsu

　　由Altera官方数据手册得知：

　　　　input delay max = Board Delay (max) – Board clock skew (min) + Tco(max)

　　结合本系统参数公式为：

　　　　input delay max = Tpcb(max) – (Tclk2(min)–Tclk1(max))
+ Tco(max)

2. 最小输入延时

　　最小输入延时（input delay min）为当从数据发送时钟沿（lanuch edge）经过最小外部器件时钟偏斜（Tclk1），最小器件数据输出延时（Tco），再加上最小PCB走线延时（Tpcb），此时的时间总延时值一定要大于FPGA的最大时钟延时和建立时间之和，这样才能不破坏FPGA上一次数据的保持时间，即为hold slack必须为正，如图1.1的所示，计算公式如下式所示：

　　　　Hold slack = （Tclk1(min) + Tco(min) + Tpcb(min)）–（FTh
+ Tclk2(max)）≥ 0

　　推出如下公式：

　　　　Tclk1(min) + Tco(min) + Tpcb(min) – Tclk2(max) ≥
FTh

　　由Altera官方数据手册得知：

　　　　input delay max = Board Delay (min) - Board clock skew (min) + Tco(min)

　　结合本系统参数公式为

　　　　input delay max = Tpcb(min) – (Tclk2(max)–Tclk1(min))
+ Tco(min)

　　由公式4和公式8得知，进行输入最大最小延时的计算，我们需要估算4个值：

　　（1） 外部器件输出数据通过PCB板到达FPGA端口的最大值和最小值Tpcb，PCB延时经验值为600mil/ns，1mm = 39.37mil；

　　（2） 外部器件接收到时钟信号后输出数据延时的最大值和最小值Tco；

　　（3） 时钟源到达外部器件的最大、最小时钟偏斜Tclk1；

　　（4） 时钟源到达FPGA的最大、最小时钟偏斜Tclk2；

　　当外部器件时钟为FPGA提供的时候，Tclk1和Tclk2即合成Tshew，如图1.5所示：



图1.5 FPGA输出时钟模型

1.4 输出最大最小延时

　　FPGA输出数据给外部器件模型如图1.6所示。对FPGA的IO口进行输出最大最小延时约束是为了让FPGA设计工具能够尽可能的优化从第一级寄存器到输出端口之间的路径延迟，使其能够保证让外部器件能准确的采集到FPGA的输出数据。



图1.6 FPGA输出延时模型

　　输出延时即为从FPGA输出数据后到达外部器件的延时时间。其中包括时钟源到FPGA延时和到外部器件延时之差、PCB板上的走线延时以及外部器件的数据建立和保持时间。如所示，为FPGA和外部器件接口时序图。



图1.7 FPGA输出延时

1. 最大输出延时

　　由Altera官方数据手册得知：

　　　　Output delay max = Board Delay (max) – Board clock skew (min) + Tsu

　　由公式得知，最大输出延时（output delay max）为当从FPGA数据发出后经过最大的PCB延时、最小的FPGA和器件时钟偏斜，再加上外部器件的建立时间。约束最大输出延时，是为了约束IO口输出，从而使外部器件的数据建立时间，即为setup slack必须为正，计算公式如下式所示：

　　　　Setup slack =（Tclk + Tclk2(min)）–（Tclk1(max) +FTco(max) +Tpcb(max) +Tsu）≥0

　　推导出如下公式：

　　　　FTco(max) + Tpcb(max) –（Tclk2(min) – Tclk1(max)）+Tsu
≤Tclk

　　再次推导，得到如下公式：

　　　　FTco(max) + Output delay max ≤Tclk

　　由此可见，约束输出最大延时，即为通知编译器FPGA的FTco最大值为多少，根据这个值做出正确的综合结果。

2.　　 输出最小延时

　　由Altera官方数据手册得知：

　　　　Output delay min = Board Delay (min) – Board clock skew (max) –Th

　　由公式得知，最小输出延时（output delay min）为当从FPGA数据发出后经过最小的PCB延时、最大的FPGA和器件时钟偏斜，再减去外部器件的建立时间。约束最小输出延时，是为了约束IO口输出，从而使IO口输出有个最小延时值，防止输出过快，破坏了外部器件上一个时钟的数据保持时间，导致hlod slack为负值，不能正确的锁存到数据，最小输出延时的推导计算公式如下式所示：

　　　　Hold slack = （Tclk1(min) + FTco(min) + Tpcb(min)）–（Th
+ Tclk2(max)）≥ 0

　　推导出如下公式：

　　　　FTco(min) + Tpcb(min) – （Tclk2(max) – Tclk1(min)）–
Th ≥ 0

　　再次推导，得出如下公式：

　　　　FTco(min) + Output delay min ≥ 0

　　由公式得知，约束输出最大延时，即为通知编译器FPGA的FTco最小值为多少，根据这个值做出正确的综合结果。

　　由公式10和公式14得知，进行输出最大最小延时的计算，我们需要估算4个值：

　　（1） FPGA输出数据通过PCB板到达外部器件输入端口的最大值和最小值Tpcb，PCB延时经验值为600mil/ns，1mm = 39.37mil；

　　（2） 时钟源到达外部器件的最大、最小时钟偏斜Tclk2；

　　（3） 时钟源到达FPGA的最大、最小时钟偏斜Tclk1；

　　（4） 外部器件的建立时间Tsu和保持时间Th；

　　当外部器件时钟为FPGA提供的时候，Tclk1和Tclk2即合成Tshew，如图1.8所示：



图1.8 FPGA提供时钟模型

1.5 使用范围

　　通过作者使用总结情况，IO口时序约束主要使用在以下情况：

1. 数据交换频率较高

　　由于IO时序约束一般计算值都是在几纳秒，当FPGA和外部数据交换频率较低，如FPGA操作640*480的TFT液晶进行刷屏，数据传输频率仅仅24Mhz，一个数据时钟都有41.666ns，完全不用约束都能满足时序要求。但是当操作SDRAM运行到120M时候，由于一个数据变换周期才8ns，因此IO口的少量延时都会影响到SDRAM数据，因此这种情况下需要对输入输出进行完整的IO口时序约束，并且分析正确，才能消除数据传输不稳定过的情况。

2. 代码已经比较优化

　　当数据交换频率较高，但是时序约束还是不满足时序要求的时候，我们都需要对代码进行分析，好的时序都是设计出来的，不是约束出来的。如程序清单 1.1所示，首先hcount_r 和vcount_r 都为10位计数器，这样的代码TFT的三色输出的端口就会有很大的延时，因为dat_act的胶合逻辑太多，输出路径太长导致。这种情况下应该不是首先做时序约束，应该修改代码，尽量做到寄存器直接输出。只有当代码比较优化的情况，再做时序约束这样才能得到较好的结果。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　程序清单 1.1 示例程序

1 assign dat_act  =    ((hcount_r >= hdat_begin) && (hcount_r < hdat_end))              　　
2 　　　　　　　　　　 && ((vcount_r >= vdat_begin) && (vcount_r < vdat_end));
3 assign tft_r    =    (dat_act) ? {rgb16_dat[15:11], 3'b111} : 8'h00;
4 assign tft_g    =    (dat_act) ? {rgb16_dat[10:5],  3'b111} : 8'h00;
5 assign tft_b    =    (dat_act) ? {rgb16_dat[4:0],   3'b111} : 8'h00;

1.6 总结

　　本文档主要是对FPGA的IO口时序约束进行相应的分析，并未做实际的使用分析，在后续文档中将会结合软件，以及实际案例对IO口时序约束进行详细的使用介绍。最后附上一个Altera官方的IO时序约束分析例子，如图1.9所示。



图1.9 Altera官方例程