FPGA时序收敛设计技巧的详细分析与消除差异的方法

您编写的代码是不是虽然在仿真器中表现正常，但是在现场却断断续续出错？要不然就是有可能在您使用更高版本的工具链进行编译时，它开始出错。您检查自己的测试平台，并确认测试已经做到100%的完全覆盖，而且所有测试均未出现任何差错，但是问题仍然顽疾难除。

虽然设计人员极其重视编码和仿真，但是他们对芯片在FGPA中的内部操作却知之甚少，这是情有可原的。因此，不正确的逻辑综合和时序问题（而非逻辑错误）成为大多数逻辑故障的根源。

但是，只要设计人员措施得当，就能轻松编写出能够创建可预测、可靠逻辑的FPGA代码。

在FPGA设计过程中，需要在编译阶段进行逻辑综合与相关时序收敛。而包括I/O单元结构、异步逻辑和时序约束等众多方面，都会对编译进程产生巨大影响，致使其每一轮都会在工具链中产生不同的结果。为了更好、更快地完成时序收敛，我们来进一步探讨如何消除这些差异。

I/O 单元结构

所有FPGA都具有可实现高度定制的I/O引脚。定制会影响到时序、驱动强度、终端以及许多其它方面。如果您未
明确定义I/O单元结构，则您的工具链往往会采用您预期或者不希望采用的默认结构。如下VHDL代码的目的是采用“sda: inout std_logic;”声明创建一个称为 sda 的双向I/O缓冲器。

tri_state_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
if (enable_in = '1') then
sda <= data_in;
else
data_out <= sda;
sda <= 'Z';
end if;
end if;
END PROCESS tri_state_proc;

当综合工具发现这组代码时，其中缺乏如何实施双向缓冲器的明确指示。因此，工具会做出最合理的猜测。

实现上述任务的一种方法是， 在FPGA的I/O环上采用双向缓冲器（事实上，这是一种理想的实施方式）。另一种选择是采用三态输出缓冲器和输入缓冲器，二者都在查询表 (LUT) 逻辑中实施。最后一种可行方法是，在I/O环上采用三态输出缓冲器，同时在LUT中采用输入缓冲器，这是大多数综合器选用的方法。

这三种方法都可以生成有效逻辑，但是后两种实施方式会在I/O引脚与LUT之间传输信号时产生更长的路由延迟。此外，它们还需要附加的时序约束，以确保时序收敛。FPGA编辑器清晰表明：在图1中，我们的双向I/O有一部分散布在I/O缓冲器之外。

 

图 1 - FPGA编辑器视图显示了部分双向I/O散布在I/O缓冲器之外教训是切记不要让综合工具猜测如何实施代码的关键部分。即使综合后的逻辑碰巧达到您的预期，在综合工具进入新版本时情况也有可能发生改变。

 

应当明确定义您的I/O逻辑和所有关键逻辑。以下VHDL代码显示了如何采用Xilinx® IOBUF原语对I/O缓冲器进行隐含定义。另外需要注意的是，采用相似方式明确定义缓冲器的所有电气特性。

sda_buff: IOBUF
g e n e r i c m a p ( I O S TANDARD =>
"LVCMOS25",
IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE =>
12,
SLEW => "SLOW")
port map(o=> data_out, io=> sda,
i=> data_in, t=> enable_in);

 

图 2 - 用一个VHDL代码转换明确定义I/O逻辑和关键逻辑，我们已完全在I/O缓冲器内部实施了双向I/O在图2中，FPGA编辑器明确显示，我们已完全在I/O缓冲器内部实施了双向I/O。

 

异步逻辑的劣势异步代码会产生难以约束、仿真及调试的逻辑。异步逻辑往往产生间歇性错误，而且这些错误几乎无法重现。另外，无法生成用于检测异步逻辑所导致的错误的测试平台。

虽然异步逻辑看起来可能容易检测，但是，事实上它经常不经检测；因此，设计人员必须小心异步逻辑在设计中隐藏的许多方面。所有钟控逻辑都需要一个最短建立与保持时间，而且这一点同样适用于触发器的复位输入。以下代码采用异步复位。在此无法为了满足触发器的建立与保持时间需求而应用时序约束。

data_proc : PROCESS (sys_clk,reset)
BEGIN
if (reset = '1') then
data_in <= '0';
elsif rising_edge(sys_clk) then
data_in <= serial_in;
end if;
END PROCESS data_proc;

下列代码采用同步复位。但是，大多数系统的复位信号都可能是按键开关，或是与系统时钟无关的其它信号源。尽管复位信号大部分情况是静态的，而且长期处于断言或解除断言状态，不过其水平仍然会有所变化。相当于系统时钟上升沿，复位解除断言可以违反触发器的建立时间要求，而对此无法约束。