FPGA时序约束

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。

静态时序分析使用的工具：

动态时序分析使用的工具：

撰写基本的时序约束文件，告知时序引擎一些必要的信息（比如时钟，输入输出延时等）。若没有正确的时序约束，那么时序分析的结果是没有意义的。

第一种，从FPGA的输入端口到目的寄存器的数据输入端口 。

第二种，从源寄存器的时钟端口到目的寄存器的数据输入端口。

第三种，从源寄存器的时钟端口到FPGA的输出端口。

第四种，从FPGA的输入端口到FPGA的输出端口。

Data Arrival time = lauch_edge + Tclka + Tco + Tdata(Tlogic+Tnet)

Data Require Time = capture edge + Tclkb - Tsu

Setup Slack= Data Require Time - Data Arrival Time

Setup Slack = （Capture edge – Launch edge）+ （destination clk delay – source clk delay）- Setup time - clk uncertainty – datapath delay

Setup Slack = Setup Requirement（一定大于0） + clk skew – Tsu – Tclk uncertainty – Tlogic – Tnet - Tco

① Setup Requirement 与实际情况不符

建立时间需求过小，这种情况通常会在同步跨时钟域路径中出现，在同步跨时钟域路径中的源时钟频率与目的时钟频率的相位关系虽然是已知的，但是时序引擎默认选择的捕获沿通常都是错误的，需要用户通过多周期路径约束的方式手动修正建立时间需求。比如下图中，两个同频不同相的同步时钟，时序引擎默认选择的捕获沿是目的时钟第二个上升沿，导致建立时间需求非常小，最终肯定会导致时序违例。

② clk skew为负值，且很大

通常情况下，同一个时钟下的时钟歪斜不应该超过300ps，同步跨时钟域路径的时钟歪斜不应该超过500ps，异步跨时钟域路径的时钟歪斜一般比较大，因为它们的时钟源不同。当出现时钟歪斜大的情况时:

③Tsu/Tco大

当设计中使用Block（DSP/Block RAM等）时，应该要注意以下问题。对于以这些Block为时序路径的起点或终点的时序路径，这些Block的Tsu/Th/Tco都比普通的寄存器大，而且这些Block的布线延时和时钟歪斜比较大。所以当使用这些Block作为时序路径的终点时，它的起点一定要是触发器，比如说一个Block RAM的写数据信号，输入进Block前最好打一拍。当使用这些Block作为时序路径的起点时，应该使用Block 内部的输出寄存器，比如使用由Block RAM组成的FIFO时，尽量不要使用首字置出的，而使用打一拍后输出的，使用后者可以显著降低Tco。当时序路径为从一个Block到另一个Block时，中间需要进行打拍 *** 作。当使用这些Block的控制端口时，应该保证这些控制信号的低扇出，如使用由Block RAM组成的FIFO时，应该尽量降低读/写能信/地址信号的扇出。

④Tlogic大

一般情况下，逻辑延时与时序路径的逻辑层级数息息相关，逻辑层级是指时序路径的起点和终点之间组合逻辑单元（LUT）的个数，而逻辑层级多一级意味着多1个LUT的延时加1条连接LUT的网线延时。通常一级逻辑层级的延时标准是1个LUT加1根网线的总延迟为0.5ns，如果某条路径的逻辑级数大于时钟周期/0.5ns，那么这条路径就被称为长路径。

常用的处理长路径的方案有两种：

⑤Tnet大

一般情况下，布线延迟与设计整体或局部模块的资源利用率以及拥塞程度息息相关。在正常情况下，一条网线的延时小于1ns，在发生拥塞的区域，网线的延时可能达到若干ns，导致布线延时显著增加。为了解决布线延迟大，需要从降低资源利用率和降低拥塞程度下手，比如某个模块使用了大量的寄存器堆，占用了大量的资源，此时应该考虑使用Block RAM代替这些寄存器堆；某个模块使用了大量的数据选择器，此时应该考虑如何优化这些数据选择器；某个模块的控制信号扇出比较大，与其他模块的互联很重，此时应该考虑如何降低这些信号的扇出；某条时序路径的起点或终点是Block，由于Block的位置比较固定，所以Block的布线延迟会大一些。最后需要强调的是，一定要额外关注高扇出的网线也会对布线延时产生影响。