FPGA设计-时序约束实例分析

现有一块ADC连接到FPGA上，需要在FPGA上实现高速数据的读取，那么第一步自然就是完成可靠的硬件连线，其中需要注意的是：

1. 注意信号的完整性，尽可能的避免边沿退化；这两区分两个概念：

    i. 高速信号，指的是信号翻转，由高电平到低电平或者反之所耗得时间非常小；可能一个1MHz的TTL信号或者LVDS信号，只要边沿足够陡，那也算是高速信号！

    ii. 高频信号，一般指的是周期性信号的周期时间足够小；

    iii. 也就是说高速信号不一定是高频的；数字信号一般都是高速信号，所以必须要保证其边沿的完整性，如果边沿发生退化或者变形，那么将相当于加入了额外的时序上的偏差；

2. 保持时钟信号和数据信号路径等长，不管是单端还是差分信号，需要用绕线等形式迫使两类线几乎等长；这个在之前的时序分析中非常重要，如果真的不能够做到等长，甚至差的还挺多的，也必须提前获得该差值，并将则合成时间差，在后面的时序分析中将会有用；

保证以上两点后，就可以着手时序的分析了，那么首先我们会得到目标器件ADC的时序，如下图所示：

图 1 某ADC的时序图

从上图中我们首先得到几个信息：

1. 这是个同步时序，由两类信号组成，时钟信号DCO和数据信号FCO以及D（忽略它们是差分信号，下面的分析会把它画成单端信号，简化好画一点）

2. 这是个DDR信号，DDR指的是数据是同步于时钟信号的上升、下降边沿，所以该类同步信号需要引入虚拟时钟概念，后面继续介绍；

3. 信号是不是边沿对齐，而是偏移了90度！也就是说DCO边沿翻转后，数据信号没有第一时间翻转，而是延后了四分之一个周期，这是高速信号惯用的伎俩，后面会发现，这个延时让时序更好分析；

将FCO信号和D信号的实际意义扔一边，在设计者看来，他们都仅仅是数据而已，将上面的时序图简化成下图：

图 2 简化后的时序图

可以看到，实际上所有的数据信号都是同步于DCO的边沿，但是并不是对齐的，而是相差了90度，同时还是个DDR系统（上下边沿都是Launch Edge）

一般来说DDR系统会引入一个虚拟时钟的概念，就是说DCO是实际存在的时钟，设计和虚构出一个2倍频的DCOX2时钟，并将其相移180度以后，我们重新得到了下图：

图 3 引入虚拟时钟后的数据时序图

引入虚拟时钟后，我们重新规划Launch Edge，将其规划到DCOX2-Shift180的上升沿，其所对应的的Latch Edge仍然还是在DCO上。

到目前为止，我们已经很清楚的规划了ADC的时钟和数据输出的关系，至于如何用SDC语言描述，见下文；接下来就要考虑到这些信号实际上是各自经过PCB走线后来到FPGA的引脚，从FPGA引脚由进入到FPGA内部，然后又经过各自的FPGA内部走线延时以后来到了他们目标的寄存器，如下图所示：

图 4 傻瓜化后的ADC和FPGA的信号流向图

从上图可以获知：

1. ADC内部看起来有一个源时钟，这个源时钟我们不用管怎么产生，它分成了两路，其中一路经过倍频+移相后触发了ADC上的REG0（就是说其上升沿作为Launch Edge），另一路直接输出到ADC引脚DCO；

2. 数据由REG0产生后输出至ADC引脚D，经过一个延时后来到FPGA的相应输入引脚D`，与此同时，DCO引脚也经由PCB来到了FPGA的输入引脚DCO`；

3. 这两个信号进入FPGA后，都各自分成了两路，分别经过各自的延时来到其目标：

    a) DCO`引脚输入后，进过TCLK2，来到了REG1的clk引脚

    b) DCO`引脚输入后，进过TCLK3，来到了REG2的clk引脚

    c) D`引脚输入后，进过Tdata2，来到了REG1的D引脚

    d) D`引脚输入后，进过Tdata3，来到了REG2的D引脚

4. REG1和REG2有所区别，一个是上升沿触发，一个是下降沿触发（clk前加了个小圈圈），这是因为latch edge本来就是上升沿又有下降沿的；后期实际上也可以给DCO`也引入虚拟时钟，这里不表；

5. 不管是REG1还是REG2，想要锁存latch数据就必须满足建立时间和保持时间，这个在下文的图中也有所体现；

说了那么多，都不如实际的时序图来的实际，下面放图：

图 5 实际时序分析

上图由三个颜色的时序，分别是：

1. 紫色代表DAT，也就是数据到达时间，它由Tco（图中没有体现，可以参考手册）、Tdata1和Tdata2三者构成，是不是和我们的DAT定义不一样？公式是死的，只需要理解其意思就可以。和公式相比少了Tclk（源时钟到REG0的clk的延时），是因为我们不需要考虑这个延时，我们是根据ADC数据手册的时序图反推回里面的结构图，所以所有延时在反推的过程中已经都被体现或者被折合！

2. 绿色伙同棕色线，表达出两个意思DRTsu和DRTh，分别代表数据建立所需时间和数据保持所需时间；

3. 将两者按照定义做减法，就能够得到建立时间裕量和保持时间裕量！

如上图所示，棕色线所划分的时间窗中，REG1.D已经是新的数据，而且在这个时间窗内并没有变化，所以就同时满足了建立时间裕量大于0和保持时间裕量大于0两个关系，这样的时序是稳定的！

但是这个只是图示而已，所有的Tdata1、2、3以及Tclk1、2、3都是我们目前假设的，在实际进行约束时，那些量时需要设计者提前设定，而那些量是自动生成的那？答案是：

1. Tdata1和Tclk1是由PCB实际布线所决定的，如果能够按照等长布线规则，就能够让两者相互抵消；

2. DCO和DCOX2-shift180的时序是由器件决定的；

3. Tdata2、3，Tclk2、3是FPGA在布线时自动产生的！

所以说这里我们只需要告诉FPGA，DCO`和D`之间的时序关系就可以了，要获得这两者之间的时序关系，我们就必须获得DCO和D之间的原始关系，以及他们是如何被布线延时变成DCO`和D`的；如何去描述上面所说的这种关系呢？利用SDC文件！

也就是说SDC文件就是要准确的告诉FPGA，所有输入（输出先不管）信号在进入FPGA时会是个什么样子，然后根据这个信息，FPGA会自动布线，使得REG1和REG2能够获得正确的数据；如果万一SDC文件所描述的时序关系非常的恶劣，将会导致不管FPGA怎么优化布线和布局，都不能够实现正确时时序时，就会输出报错，这个在以后的文章TimeQuest TA中会有详细的分析；那么接下来就开始写SDC文件吧；

#设置各种延时常数

#这里假设ADC片上的延时都为0

    set ADC_CLKs_max 0

    set ADC_CLKs_min 0

    Set ADC_CLKd_max 0

    set ADC_CLKd_min 0

# 同时根据ADC手册去设置Launch edge到有效数据之间的延时，这里假设他为X

    set ADC_tCO_max X

    set ADC_tCO_min X

#这里设置时钟信号和数据信号在PCB板上的延时差，即使是等长布线，我们也要可以给

#定两个值，这样可以给FPGA布线更多的压力，使得后期布线会往一个最理想的方向进行，

#分别是

    set ADC_BD_min XX

    set ADC_BD_max XX

#设置两个时钟，第一个时钟为DCO，它会从FPGA的DCO引脚输入

#另一个时钟是虚拟时钟，根据设置，它是DCO的两倍频，而且有180度的相移

#这两个时钟之间是同步的，一个是很是存在的，另一个是虚拟的！

    create_clock -name DCO-period 5-waveform {1.25   3.75} [get_ports {DCO}]

    create_clock -name DCO_virtual-period 2.5 -waveform {0    1.25}

#最后将所有的数据引脚同步到DCO_virtual的上升沿，根据上面的延时常数设置输入延时和

#输出延时，这条语句非常关键，它告诉FPGA所有的输入信号，在进入FPGA之前，相对于

#时钟存在怎么样的关系！

    set_input_delay -clock DCO_virtual -max [expr $ADC_CLKs_max + $ADC_tCO_max + $ADC_BD_max - $ADC_CLKd_min] [get_ports {D*}]

    set_input_delay -clock DCO_virtual -min [expr $ADC_CLKs_min + $ADC_tCO_min + $ADC_BD_min - $ADC_CLKd_max] [get_ports {}D*}]

SDC文件解释

1. 蓝色底部分代表定义一些延时参数，这些延时参数都是根据实际的PCB布线或者是ADC的书籍参数来设定的

2. 绿色底部分设定同步时钟，如果有必要的话还要设置虚拟时钟；

3. 紫色底部分将所有的输入信号同步到时钟，在这里这个时钟是虚拟时钟，因为我们假设虚拟时钟的上升沿是launch edge，这里其实可以也可以同步到DCO上，但就要设置下降沿同步，会显得比较麻烦；但是一样都是可以实现的！

通过上面的语句，FPGA就知道了，这些属于信号之间的关系：D和DCO之间的关系，D和DCOX2-shift180（就是DCO_Virtual）之间关系；

审核编辑：刘清