FPGA设计-时序约束（理论篇）

STA：Static Timing Analysis

STA（Static Timing Analysis，即静态时序分析）在实际FPGA设计过程中的重要性是不言而喻的，其作用是：

1. 帮助分析和验证一个FPGA设计的时序是否符合要求；

2. 指导fitter（布线综合器）布局布线出符合要求的结果；

简单地说，静态时序分析（STA）告诉我们电路的实际表现如何，而提供约束（SDC文件，即上面的要求）来告诉分析工具我们希望电路的表现应该是怎样。Quartus II自带的STA工具TimeQuest TA在整个FPGA设计过程中的使用流程如下图所示：

图 1 TimeQuest TA使用流程

简而言之，我们需要学会：

A． 正确理解时序，看背景知识介绍

B． 正确编写SDC文件，以及利用TimeQuest TA生成SDC约束命令，SDC介绍

C． 利用TimeQuest TA来查看和验证时序

一、 背景知识介绍：

1.1 启动沿（launch）和锁存沿（latch）：

图 2 启动沿和锁存沿

启动沿：数据被launch的时钟边沿；也就是说，每一个启动沿，一般都会产生一个新的数据！

锁存沿：数据被latch的时钟边沿；也就是说，每一个锁存沿，都会有一个新的数据被保存！

对于如上图所示的级联的寄存器电路而言（忽略上一级触发器输出到下一级触发器输入之间的逻辑关系），一般蓝色的上升沿作为第一个触发器的启动沿，而红色的上升沿（一般都是紧跟着启动沿后的有效边沿）。所以说：蓝色的启动沿之后由REG1输出有效数据，并在红色的边沿被锁存进REG2并输出到下级。

1.2 建立（setup）和保持（hold）时间

图 3 建立和保持时间

上述的锁存沿会将数据保存下来，但是必须要满足一定的条件：

建立时间Tsu：在时钟有效沿之前，数据必须保持稳定的最小时间；

保持时间Th：在时钟有效沿之后，数据必须保持稳定的最小时间；

这就相当于一个窗口时间，在有效边沿的窗口时间内，数据必须保持稳定；这里的时钟信号时序和数据信号时序，都是寄存器实际感受到的时序；什么事实际感受到的，下面会继续分析；

1.3 数据到达时间（DAT：data arrival time）

所有的信号在FPGA内部传播都会有延时，包括时钟信号、数据信号（实际上不该如此可以的区分这两种信号，在一定条件下，这两个信号可能可以相互转换，这个是题外话了），也就是说，从信号的发出点到信号的接收点，会存在一个延时，这个延时可能是因为FPGA内部空间分布所致，也有可能是因为组合逻辑造成，这里不再深究；

图 4 数据到达时间示意图

正如上图所示，在计算数据到达时间时，一般都会存在3个延时：

1. Tclk1:时钟信号从起点（一般是PLL输出或者时钟输入引脚）到达启动寄存器（或说启动触发器）的相应clk端口所耗的时间；假如CLK是由PLL发出的时钟信号（称之为源时钟），这个信号经过FPGA内部的“连线”最终来到了REG1（启动触发器）的clk端，所以此时在REG的clk1处也会有周期性的时钟信号REG1.CLK(如图所示)；可以看到，此时的CLK（源时钟）和REG1.CLK实际上有个（相位差）时间差，这个时间差就是Tclk1；

2. Tco：启动寄存器内部延时，是寄存器REG1感受到有效的上升沿后，到数据真正从从REG1的Q输出之间延时；请注意：上述所谓的有效的上升沿，就是REG1.CLK，而不是CLK；所以实际的有效数据输出的时序如上图的REG1.Q;

3. Tdata：数据从上级寄存器输出Q（经过所有其他组合逻辑以及FPGA内部走线）到下级寄存器的数据输入D之间的延时；如图所示，数据从从REG1的Q流向了REG2的D，所以REG2.D实际感受到的数据时序是REG2.D；

假如将上图中的launch Edge作为时间0点，将一些列的延时累加，所得结果称之为数据到达时间，DAT：

DAT=启动沿+Tclk1+Tco+Tdata；

1.4 数据建立需要时间（DRTsu：data require time (setup)）

图 5 数据建立需要时间

分析方法同上，需要计算数据建立时间，也需要两个延时：

1. Tclk2，不同于上述的Tclk1，这个延时是时钟从起点（一般是PLL或者时钟输入引脚）到锁存触发器之间的延时；如上图所示，REG2实际感受到的时钟来自于其本身的clk引脚，而不是源时钟CLK,他们之间存在一个延时，即Tclk2；所以REG2实际感受到的时钟，实际上是上图的REG2.CLK；

2. Tsu:上面分析过了，每一个数据被锁存都要满足建立时间和保持时间，Tsu就是建立时间，也就是在REG2实际感受到Latch Edge时，数据如果需要被正确锁存，就必须提前Tsu的时间来到REG2的D；

综合时钟走线延时Tclk2以及Tsu，我们得到了数据建立时间DRTsu：

DRTsu=锁存沿+Tclk2-Tsu。

也就是说在DRTsu时刻之前，数据必须已经有效且稳定

1.5 数据保持需要时间（DRTh：data require time (hold)）

图 6 数据保持需要时间

即DRTh=锁存沿+Tclk2+Th；

也就是说，数据在DRTh时间之前必须保持住不变；

1.6 建立时间裕量（Setup Slack）

建立时间裕量指的是数据到达时间和数据建立需要时间之间的关系：

图 7 建立时间裕量

如上图所示，在0时刻（Launch edge）,源时钟CLK说，“啊，我要产生一个新的数据”，但是这个命令（启动沿）并没有马上传达到REG1，而是有个延时Tclk1。所以在Tclk1时刻，REG1终于听到了（感受到了有效的时钟上升沿，就是启动沿）老大的命令，就开始准备，他憋了一会儿，又延时了Tco，终于产生了数据（REG1.Q上有了valid data）;这个有效数据也是慢吞吞的来到了他的终点，又浪费了Tdata。最终在Tclk1+Tco+Tdata时间后，REG2得到了这个数据；别以为REG2得到这个数据就完事了，REG2也是个傲娇的娃，怎么个傲娇法，下面继续分析；老大CLK在0时刻发送了启动沿之后，休息了一个时钟周期，在Latch edge时突然想起来，刚才让REG1发出的数据，REG2要接受啊，不然就浪费了，于是乎他又对REG2下达了命令，新数据要来了，准备好接受！但是这个命令也不是马上就到了REG2的耳中，而是经过了Tclk2的时间。等到REG2接收到命令后（实际感受到了有效的Latch Edge），他就看看自己家门口没有数据已经来了（检查REG2.D是否有数据），同时要看看这个数据是不是符合他的胃口的（满足锁存的条件），他要求数据必须在他接收到老大命令的时候已经等了Tsu时间（数据建立时间），由要求这个数据在他家门口不能早退，必要再保持Th时间（数据保持），如果都满足了，REG2就开心的接受了这个数据，反之，他就会觉得，REG1准备的数据太懒惰了（没有提前Tsu时间到达），又或者性子太急（没有多逗留th），一概不收！

所以这里涉及到两个要求，第一个就是建立时间裕量：

正如上图所示Setup Slack=DRTsu-DAT。

如果Setup Slack为正，则说明数据在规定的时间内达到了目标。反之，则认为数据并没有在规定的时间达到目标，此时REG2锁存的数据很有可能是亚稳态；

1.7 保持时间裕量（hold slack）

图 8保持时间裕量

如上所述，hold slack = DAT – DRTh

如果为正，则认为数据在被锁存的时候有足够多的稳定时间，是有效的。反之则认为数据有误或者数据可能是亚稳态；

小结：

理解了上面的7个概念，就明白了：如果时钟频率过快或者数据延时太大，都会导致错误的时序。在FPGA内部寄存器到内部寄存器之间，所有的延时都是建立在时序模型上的，如slow和fast，这些模型从两个极端工作情况来分析FPGA能否正常工作；只要满足这两个工况，则FPGA在其他环境下都能满足时序！

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审核编辑：刘清