详解FPGA的时序input delay约束

第一章 FPGA时序约束分享03_input delay约束
                                                                                                                       作者：潘文明

   本文章探讨一下FPGA的时序input delay约束，本文章内容，来源于配置的明德扬时序约束专题课视频。
 《FPGA时序约束分享01_约束四大步骤》概括性地介绍 了时序约束的四个步骤，对时序约束进行了分类，并得到了一个分类表。
 《FPGA时序约束分享02_时钟约束》详细介绍了关于时钟的约束，根据时钟来源可以分成输入时钟约束、PLL等衍生时钟约束和自己分频的时钟约束等三种类型。这三种类型的约束方法均有所不同，读者需要掌握区分方法。
  本文，笔者将详细介绍输入延时(input delay)的概念、场景分类、约束参数获取方法以及约束方法。
  在高速输入设备与FPGA通信场合，设置输入延时(input delay)约束非常重要。
  例如明德扬研发的高速ADC模块：mdyFmcAd9653，该模块集成了2个125M采样率、分辨率为16位的AD9653，采集数据时通过LVDS传输至FPGA上。该LVDS的时钟频率为125M，数据位宽为16位，FPGA接收时，需要进行输入延时(input delay)约束，将LVDS时钟和数据的相位关系告知FPGA，从而让FPGA能够正确接收，如果约束不正确，则会出现接收错误的情况。
  还有一个常用场景，就是网络芯片的RGMII接口。RGMII接口用于网络芯片和FPGA之间的网络数据传输，网络芯片往FPGA发数据，即FPGA接收数据时，就需要设置输入延时(input delay)约束。RGMII接口务必要做时序约束，否则会出现偶发性的数据接收错误的情况，笔者在做“弱小信号采集系统项目”时，就在这里吃过亏。

  开始正文，首先讨论并明确输入延时(input delay)的概念。
 

第1节 输入延时概念

上图是一个典型的输入延时的模型，该模型由一个上游器件source device以及一个FPGA组成。上游器件将数据传送给FPGA，FPGA接收数据。从FPGA角度来看，输入接口由时钟接口和数据接口组成，上图右边FPGA的输入管脚，上面即是数据接口，下面是时钟接口。

Din是由时钟clk产生的，理想情况下，Din的变化时刻一定是时钟的上升沿，即变化点和时钟上升沿对齐，如上图所示。
但在传输过程中，由于时钟和数据会存在延时差异，从而到达FPGA管脚是处于不同的时刻，数据和时钟之间会存在相位差，如下图所示。

上图描述了连续3个时钟下，数据接口din和时钟clk的相位差，第1个时钟相差了1ns，第2个时钟差了1.8ns，第3个时钟相差了1.3ns。相位差的变化有可能是延时原因，也有可能是上游器件的原因，总之，这些相位差数据是变化的，但它的变化应该在一个确定的范围，即肯定是存在一个最小值，同时存在一个最大值，相位差在这两个范围内变动。
将其变化范围汇总起来，制作成如下的一张图。

上图中的灰色区域，就是相位差的变化范围。
现在可以给出输入延时(input delay)的定义：数据相对于时钟的延时，即数据时间-时钟上升沿时间。
a.注意是数据时间-时钟上升沿时间，这意味着输入延时可正可负。当延时在时钟右边时，输入延时是正的，当延时变化点在时钟上升沿左边时，输入延时是负的。
b.输入延时通常是一个变化范围，其有两个参数，最小延时min和最大延时max。最小延时即上图中灰色区域最左边点，最大延时是灰色区域最右边点。
c.输入的实际延时一定在最小和最大之间。约束时，需要设置好最小min和最大max的值。
d.上图中的clk和din是指FPGA管脚的，非上游器件管脚的。
e.牢记输入延时的概念定义，后面场景无论如何变化，万变不离其宗，都是按这个定义约束的。

第2节 约束语句

设置输入延时的约束语句，其语法非常简单，如下
set_input_delay -clock
是想要设定input约束的端口名，可以是一个或数个port。
-clock之后的clock_name，是时钟域的名字。
注意，这个clock_name是设置约束约束时定义的时钟域的名字，而非“时钟”名。
可以是一个真实存在的时钟
也可以是预先定义好的虚拟时钟
delay分两种
-max ，输入的最大延时，用于建立时间setup的分析，具体原因看后面部分。
-min ，输入的最小延时，用于保持时间hold的分析，具体原因看后面部分。

下面是具体的两个例子
set_input_delay -clock [get_clocks clk0] -min 0.5 [get_ports Din[*]]
set_input_delay -clock [get_clocks clk0] -max 1.5[get_ports Din]*]]
上面约束了信号Din相对于时钟域clk0，有最小延时0.5和最大延时1.5ns。

第3节 输入延时的目的

请继续看上面的输入延时的模式，注意看FPGA的内部结构。上游器件将数据发到FPGA的输入管脚，FPGA对其进行采样，采样一定会使用到D触发器，所以输入的时钟和数据，最终均会连到FPGA内部的D触发器上。
由前面几篇文章的讨论可知，D触发器是有建立时间和保持时间要求的。这个建立时间和保持时间，是这个D触发器的物理特性，是一定会有的，但这个数值是多少，工程师不知道，而综合工具如VIVADO、QUARTUS等会知道。
当Din和clk的延时不满足D触发器的建立时间和保持时间时，综合工具自动调整内部延时，例如增加一些BUF，或者增加线长等方式，使得信号最终到达D触发器时，能够满足建立时间和保持时间的要求。
所以综合工具需要知道输入的延时是多少，进而调整内部延时，最终满足D触发器的建立时间和保持时间要求，这就是设置输入延时的目的。
有几点需要注意的。
a.设置输入延时，只是客观描述外部信号，即数据和时钟和相位关系。只要知道综合工具这种相位关系，剩下的调整是综合工具自动完成的。
b.虽然综合工具可以调整内部延时，从而达到内部D触发器正确采样的目的，但这个延时是有一定范围的，存在无论怎么调都无法满足的情况。

第4节 获取参数的两种方法
由本文的约束语句一节，可以知道为了设置输入延时约束，需要知道两个参数：最大延时值max和最小延时值min。
那我们一般如何获取这两个参数呢？有两种方法，一种是查阅数据手册，另一种是通过示波器测量。
 

4.1 查阅数据手册
数据和时钟的相位偏差，通常来自于上流器件的寄存器延时和走线延时。
一个正规的器件，其数据手册会清楚地标明输出数据和时钟的延时范围，通常是寄存器延时TCKO等，大家可以查找一下。
至于走线延时，通常可以通过线长度，计算得到延时值。
所以第一种方法，就是查阅数据手册，获取时序参数，具体如何使用，可以看后面内容。
 

4.2 示波器测量
第二种方法是示波器测量的方法。

方便的话，使用示波器接到FPGA的输入的时钟和数据管脚，调整示波器处于眼图模式，就可以得到眼图，其样式大致如下。

上图是按照时钟基准来获取到的眼图，从上图就可以得到数据相对于时钟的延时信号，从而得到max和min值。
知道了上面两种方法后，还要结合应用场景，才能正确地设置时序参数。

第5节 应用场景概念
 

5.1 系统同步和源同步
数据接口的同步方式，分成系统同步和源同步。

系统同步是指板上有一个时钟源，该时钟源将时钟送给各个器件，并且保证送给各个器件 的相位是相同的。如上图中，时钟system_clock送给了source device和FPGA，并且两者时钟TsrcClk和TdstClk相位是一样的，上游器件只发数据给FPGA即可。
系统同步要求时钟信号在系统级上同源，板级走线的延时也要对齐，要求很高，也比较难做。

 

源同步如上图，FPGA的时钟来自于上游器件 ，即上游器件将数据送给FPGA的同时，送一个随路时钟给FPGA，FPGA利用这个随路时钟来采样数据。源同步方式，没有时钟相位同步的要求，所以相比系统同步简单很多，应用也更加广泛。

5.2 SDR和DDR

SDR是指数据只在时钟上升沿有效，当前时钟上升沿产生数据，在下一个时钟上升沿对这个数据进行采样的方式，上图就是SDR的示例。

DDR是指数据在时钟上升沿和下降沿都有效的一种传输方式。时钟上升沿产生的数据，在下一个时钟下降沿被采样；时钟下降沿产生的数据，在下一个时钟上升沿被采样。

由引可见，同样时钟频率下，DDR的速率是SDR的两倍，速率更高，要求自然也更高。
系统同步由于要求时钟信号在系统级上同源，板级走线的延时也要对齐，无法达到更高速的设计要求，所以大部分情况也仅仅应用SDR方式，本文针对系统 同步，只讨论SDR的方式。
源同步接口最大的优点就是大大提升了总线的速度，可以是SDR方式，也可以是DDR方式，本文针对源同步，将讨论

SDR和DDR两种方式。
 

5.3 中心对齐和边沿对齐
在DDR的传输方式中，我们又可以分成中心对齐和边沿对齐两种方式。

上面是FPGA收到的一个理想的传输波形图。Din1的变化点与时钟clk的边沿点对齐，这种传输方式就是边沿对齐。Din2的变化点则是在clk的低电平或者高电平中间，这种传输方式就是中心对齐。
上图是一个理想的波形，是假设Din1和Din2 零延时的情况，但实质上这是不可能的。在实际中，必会有延时，而且必定会有抖动，这个抖动围绕着数据变化点可能向左偏，也可能向右偏。由此，边沿对齐的实质波形如下图（在时钟边沿左右抖动，中间稳定）。

同理，中心对齐的实质波形将如下图所示（时钟边沿处稳定，中间抖动）。

第6节 各种场景下的约束方法

经过前面的铺垫和讨论，现在正式讨论各个应用场景下，输入延时的约束方法。
 

6.1 系统同步
系统同步的特点是时钟到各个器件的延时是一样的，这意味着设置输入延时时，不需要考虑时钟的延时，可以认为时钟延时是0，我们只需要考虑数据延时。
数据延时为两种，一种是上游器件在时钟控制下将数据输出到上游器件管脚的延时；另一种是数据从上游器件管脚，到FPGA管脚的延时。
查阅数据手册

假设通过查阅数据手册，得到TCKO最小是1ns，最大是2ns；通过计算布线长度，得到线延时最小是0.3ns，最大是0.4ns。由此可计算得到，输入最小延时：最小的TCKO+最小的线延时，即1.3ns；输入最大延时：最大的TCKO+最大的线延时，即2.4ns。所以可以有如下约束语句。
set_input_delay -clock sysclk -min 1.3  [get_ports Din]
set_input_delay -clock sysclk -max 2.4 [get_ports Din]
示波器测量
如果您找不到数据手册，或者电路板做得不标准，也可以使用示波器测量方法得到参数。假设眼图如下：

上图中，中间的A处是时钟上升沿时刻，B处是眼图闭合的左侧，C处是眼图闭合的右侧。从示波器中，可以得到B到A的距离，以及C到A的距离。而这两个距离，则正对应输入延时的最小值和最大值。如下图，图中的灰色区域，就是上图中的B到C的区域。

 

如前面所述，系统同步要求较高，大部分都是SDR情形，所以不在此讨论DDR的情节。
6.2 源同步SDR

源同步SDR的约束方法，与系统同步非常相似。
源同步是上游器件同时传输了时钟和数据，如果布线做得标准的话，即线等长的话，可以认为数据延时和时钟延时是一致的，也就是说我们可以不考虑线延时的情况。
所以通过数据手册，查询 到TCKO延时，就可以设置最大最小值了。

通过示波器测量，也可以获取到参数，下图就是眼图。

上图中，A是时钟上升沿处，B是眼图的左侧，定义为DV(befre)，C处是眼图的右侧，定义为DV(altera)，这两值都可以测量到。

上图是对应的波形图。
如何通过DV(befre)和DV(altera)，获取到最小延时和最大延时呢？
认真观察，可以知道，最小延时就是DV(after)；而最大延时则要计算一下，时钟周期-DV(before)。
下面就是一个配置的例子。

6.3 源同步-DDR
讨论完成源同步的SDR，接下来讨论源同步的DDR情形。源同步的DDR是时钟上升沿和下降沿都会采数据的情况，可以进一步划分成中心对齐和边沿对齐情形。

6.3.1 DDR中心对齐

上图是DDR中心对齐的波形图，其中有4个参数可以通过示波器得到，分别是上升沿前dv_bre、上升沿后dv_are、下降沿前dv_bfe和下降沿后dv_afe。
注意，上图中，Fall_Data是由时钟上升沿产生，在时钟下降沿采样的；Rise_Data是由时钟下降沿产生，时钟上升沿采样的。

根据输入延时的定义，上升沿的输入最小延时是上图中的B到A的时间；输入最大延时是上图中的C到A的时间。因此，可知上升沿输入最小延时等于：dv_are；上升沿输大最小延时等于：半个时钟周期-dv_bfe。

下降沿的情况看上图。根据定义，下降沿的输入最小延时是B到A的时间；下降沿输入最大延时是C到A的时间。注意，根据周期性，上图中的C和D是相同的点。
可此可知，下降沿的输入最小延时是dv_afe；下降沿输入最大延时是：半个时钟周期-dv_bre。
现在举例说明，假设
时钟的频率为：100M，即周期为10ns；
数据data的dv_bre:0.4ns
数据data的dv_are:0.6ns
数据data的dv_bfe:0.7ns
数据data的dv_afe:0.2ns
则有，上升沿的输入最大延时：半个时钟周期-dv_bfe=4.3ns；上升沿的输入最小延时：dv_are=0.6ns；下降沿的输入最大延时：半个时钟周期-dv_bre=4.6ns；下降沿的输入最小延时：dv_afe=0.2ns；
可以列出出如的约束语句：
set_input_delay -clock clk -max 4.3 [get_ports data]
set_input_delay -clock clk -min 0.6 [get_ports data] 
set_input_delay -clock clk -max 4.6 [get_ports data] -clock_fall -add_delay
set_input_delay -clock clk -min 0.2 [get_ports data] -clock_fall -add_delay

上面的语法中，使用-clock_fall表示下降沿；使用-add_delay表示与前面的约束一起生效。

6.3.2 DDR边沿对齐

上图是DDR中心对齐的波形图，其中有4个参数可以通过示波器得到，分别是上升沿前skew_bre、上升沿后skew_are、下降沿前skew_bfe和下降沿后skew_afe。
注意，上图中，Fall_Data是由时钟上升沿产生，在时钟下降沿采样的；Rise_Data是由时钟下降沿产生，时钟上升沿采样的。

根据输入延时的定义，上升沿的输入最小延时是上图中的B到A的时间；输入最大延时是上图中的C到A的时间。有读者会疑问，为什么不是D和E呢？注意一下输入延时的定义，是“产生的数据”到“产生该数据的时钟沿”的距离。Fall_data是由A产生的，B到C区域，都是Fall_Data的变化区域，所以应该看的是B和C到A的距离 。这个时候，B在A的左边，说明该值是负数。
理解了上面的定义，可知上升沿输入最小延时等于：-skew_bre；上升沿输入最大延时等于：skew_are。

下降沿的情况看上图。根据定义，下降沿的输入最小延时是到D到F的时间；下降沿输入最大延时是E到F的时间。
可此可知，下降沿的输入最小延时是：-skew_bfe；下降沿输入最大延时是：skew_afe。
现在举例说明，假设
时钟的频率为：100M，即周期为10ns；
数据data的skew_bre:0.6ns
数据data的skew_are:0.4ns
数据data的skew_bfe:0.3ns
数据data的skew_afe:0.7ns
则有，上升沿的输入最大延时：skew_are=0.4ns；上升沿的输入最小延时：-skew_bre=-0.6ns；下降沿的输入最大延时：skew_afe=0.7ns；下降沿的输入最小延时：-skew_bfe=-0.3ns；
可以列出出如的约束语句：
set_input_delay -clock clk -max 0.4 [get_ports data]
set_input_delay -clock clk -min -0.6 [get_ports data] 
set_input_delay -clock clk -max 0.7 [get_ports data] -clock_fall -add_delay
set_input_delay -clock clk -min -0.3 [get_ports data] -clock_fall -add_delay

上面的语法中，使用-clock_fall表示下降沿；使用-add_delay表示与前面的约束一起生效。

6.4 有数据无时钟

      有一种特殊的输入信号，该信号是没有对应的时钟，是一种异步信号。例如最常见的UART串口信号，上位机发给FPGA只有一根线，双方按照约定的波特率进行通信。
FPGA使用内部的时钟去采这个异步信号，由于时钟和信号是异步的，因此无论怎么调整，都不能保证一定能够满足D触发器的建立时间和保持时间要求，这个时候要做异步信号同步化处理后，才能采集，否则会出现亚稳态现象，严重的会导致芯片崩溃。关于这部分内容，可以看时序约束的其他章节。
本文要探讨的是，对于这种异步信号，需不需要做输入延时的约束呢？
答案是需要的。对其进行时钟约束，其主要目的不是为了调整延时，而是为了告诉综合工具，这个信号是处于不同时钟域的，避免被系统认为属于某一时钟域，从而不产生警告，进而导致工程师遗漏了此问题的解决。
由于异步信号没有时钟，因此我们需要构造一个虚拟时钟，如以下语句，就是产生了一个50M的虚拟时钟clk_50_virtual，注意该语句并没有关联任何端口，所以是虚拟的；还要注意的是，定义为50M是随便的，您可以定义为其他任何频率。
create_clock -period 20 -name clk_50_virtual
当构造了虚拟时钟了，就可以设置异步信号的输入延时了，例如下面语句。注意5.2也是任意的。
set_input_delay -max 5.2 -clock clk_50_virtual [get_ports i_data]

第7节 总结与建议   
最后，对本文进行简单的总结 。
a.本文先介绍 了输入延时的概念，然后分成不同的应用场景，根据这些应用场景不同，分别使用不同的约束方法。
b.输入延时约束关键的是获取约束参数，可分成查阅数据手册和示波器测量方法。
c.输入延时约束，只是客观反映外部信号的情况，千万不要理解成“要求系统，让输入延时多少ns”。即不是要求系统做什么，而是告诉系统输入信号的情况，而系统决定怎么做。

第8节 相关产品   
本文提到的mdyFmcAd9653，是由明德扬科教研发的多通道，高分辨率和高采样率数模转换器的ADC系列子板，搭载两片ADC芯片，支持ADI、上海贝岭、北京时代民芯科技、中电24所等生产的芯片，完全PIN对PIN兼容；共支持8通道同步输入；共支持16位采样分辨率；支持最高125MSPS的采样率，适用于医疗电子、雷达、卫星导航等多种应用场合。
 
第9节 相关文章   
1.《FPGA时序约束分享01_约束四大步骤》
2.《FPGA时序约束分享02_时钟约束》
3.《mdyFmcAd9653产品说明书》
 

　　审核编辑：汤梓红