FPGA时序约束--基础理论篇

FPGA开发过程中，离不开时序约束，那么时序约束是什么？简单点说，FPGA芯片中的逻辑电路，从输入到输出所需要的时间，这个时间必须在设定的时钟周期内完成，更详细一点，即需要满足建立和保持时间。

时序约束可以让VIvado和Quartus等FPGA开发软件，在布线时检测综合出来的逻辑电路是否满足这个时序要求，并生成时序报告。

目录

一、建立/保持时间

1、基本概念

2、时钟抖动

3、时钟偏差

二、时序路径

三、时序模型

四、总结

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一、建立/保持时间

1、基本概念

设定时序约束的目的就是为了满足建立时间和保持时间，所以理解“建立时间和保持时间”这两个概念非常重要。

建立时间：在时钟上升沿到来之前，输入信号需要提前一个最小时间里“预先准备好”，这个最小时间量就是建立时间；

保持时间：在时钟上升沿到来之后，输入信号必须保持一个最小时间量“不能变化”，这样这个最小时间量就是保持时间。

只有满足建立时间和保持时间，这样才能准确捕获到这个输入信号，下一级电路逻辑才能正常接收到正确的信号。

建立和保持时间是由FPGA芯片器件特性决定，也就是制程工艺决定的，以Xilinx FPGA K7芯片为例，setup time为0.04ns，hold time为0.2ns，具体可以查对应芯片手册的setup time和hold time。

2、时钟抖动

实际的时钟信号是存在时钟抖动的，时钟抖动（ Clock Jitter）是实际时钟存在随着时间积累的、时而超前、时而滞后的偏移，如下图所示。

3、时钟偏差

时钟偏差（Clock Skew）表示在同一个时钟域内时钟信号到达各个寄存器用时的差异。时钟信号在FPGA芯片中也是需要走线的，所以也存在布线延迟。

时钟的不确定性，就是由时钟抖动和时钟偏差组成的。

二、时序路径

时序路径是指从FPGA输入到输出的所有逻辑路径组成的路径。当存在时序路径时，需要考虑时序约束以确保正确的逻辑功能和时序性能。

时序路径中的关键元素包括：

（1） 路径起点（即时钟触发器输入端口）

（2）路径终点（即输出端口的寄存器或查找表单元）

（3）逻辑电路和逻辑器件

有了这些元素，就可以构建完整的时序路径。在实践中，我们可以使用FPGA工具来分析、优化和修复时序路径。

时序路径对于设计的正确性和时序性能来说都是非常重要的。为了最大程度地提高性能并避免瓶颈，我们必须对时序路径进行详细的分析和优化。

三、时序模型

一个基本的时序路径包括源时钟路径、数据路径和目的时钟路径，如下图所示：

各部分对应的延时计算如下图所示：

时序约束的公式为：Tclk ≥ Tco Tlogic Trouting Tsetup - Tskew

说明：Tclk表示系统时钟周期；Tco表示发送端寄存器时钟到输出时间；Tlogic表示组合逻辑延迟时间；Trouting为两级寄存器之间的布线延迟；Tsetup为接收端寄存器的建立时间；Tskew为时钟偏差。

Tlogic与我们写的HDL代码有直接关系，Trouting是FPGA开发软件综合布线根据FPGA内部资源情况进行布线产生的延时。

四、总结

本文介绍了FPGA时序约束的基础理论知识，希望通过阅读本文，大家能够更好地理解时序约束原理，并在实际工作中运用这些原理提高设计效率和准确性。

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