FPGA 时序收敛

　　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;

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。

　　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。

　　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

　　generic map (IOSTANDARD => "LVCMOS25",

　　IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE => 12,

　　SLEW => "SLOW")

　　port map(o=> data_out, io=> sda,

　　i=> data_in, t=> enable_in);

　　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。

　　data_proc : PROCESS (sys_clk)

　　BEGIN

　　if rising_edge(sys_clk) then

　　if (reset = ‘1’) then

　　data_in <= ‘0’;

　　else

　　data_in <= serial_in;

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS data_proc;

　　只要我们明白无法直接将异步信号馈送到我们的同步逻辑中，就很容易解决这个问题。以下代码创建一个称为 sys_reset 的新复位信号，其已经与我们的系统时钟 sys_clk 同步化。在异步逻辑采样时会产生亚稳定性问题。我们可以采用与阶梯的前几级进行了’与’运算的梯形采样降低此问题的发生几率。

　　data_proc : PROCESS (sys_clk)

　　BEGIN

　　if rising_edge(sys_clk) then

　　reset_1 <= reset;

　　reset_2 <= reset_1 and reset;

　　sys_reset <= reset_2 and reset_1

　　and reset;

　　end if;

　　if rising_edge(sys_clk) then

　　if (sys_reset = ‘1’) then

　　data_in <= ‘0’;

　　else

　　data_in <= serial_in;

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS data_proc;

　　至此，假定您已经慎重实现了所有逻辑的同步化。不过，如果您不小心，则您的逻辑很容易与系统时钟脱节。切勿让您的工具链使用系统时钟所用的本地布线资源。那样做的话您就无法约束自己的逻辑。切记要明确定义所有的重要逻辑。

　　以下 VHDL 代码采用赛灵思 BUFG 原语强制 sys_clk 进入驱动低延迟网络 (low-skew net) 的专用高扇出缓冲器。

　　gclk1: BUFG port map (I => sys_clk,O

　　=> sys_clk_bufg);

　　data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)

　　BEGIN

　　if rising_edge(sys_clk_bufg) then

　　reset_1 <= reset;

　　reset_2 <= reset_1 and reset;

　　sys_reset <= reset_2 and reset_1

　　and reset;

　　end if;

　　if rising_edge(sys_clk_bufg) then

　　if (sys_reset = ‘1’) then

　　data_in <= ‘0’;

　　else

　　data_in <= serial_in;

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS data_proc;

　　某些设计采用单个主时钟的分割版本来处理反序列化数据。以下 VHDL 代码（nibble_proc进程）举例说明了按系统时钟频率的四分之一采集的数据。

　　data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)

　　BEGIN

　　if rising_edge(sys_clk_bufg) then

　　reset_1 <= reset;

　　reset_2 <= reset_1 and reset;

　　sys_reset <= reset_2 and reset_1

　　and reset;

　　end if;

　　if rising_edge(sys_clk_bufg) then

　　if (sys_reset = ‘1’) then

　　two_bit_counter <= "00";

　　divide_by_4 <= ‘0’;

　　nibble_wide_data <= "0000";

　　else

　　two_bit_counter

　　<= two_bit_counter + 1;

　　divide_by_4 <= two_bit_counter(0) and

　　two_bit_counter(1);

　　nibble_wide_data(0)

　　<= serial_in;

　　nibble_wide_data(1)

　　<= nibble_wide_data(0);

　　nibble_wide_data(2)

　　<= nibble_wide_data(1);

　　nibble_wide_data(3)

　　<= nibble_wide_data(2);

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS data_proc;

　　nibble_proc : PROCESS (divide_by_4)

　　BEGIN

　　if rising_edge(divide_by_4) then

　　if (sys_reset = ‘1’) then

　　nibble_data_in <= "0000";

　　else

　　nibble_data_in

　　<= nibble_wide_data;

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS nibble_proc;

　　看起来好像一切都已经同步化，但是 nibble_proc 采用乘积项 divide_by_4 对来自时钟域sys_clk_bufg 的 nibble_wide_data 进行采样。由于路由延迟，divde_by_4 与 sys_clk_bufg 之间并无明确的相位关系。将 divide_by_4 转移到 BUFG 也于事无补，因为此进程会产生路由延迟。解决方法是将 nibble_proc 保持在 sys_clk_bufg 域，并且采用 divide_by_4 作为限定符，如下所示。

　　nibble_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)

　　BEGIN

　　if rising_edge(sys_clk_bufg) then

　　if (sys_reset = ‘1’) then

　　nibble_data_in <= "0000";

　　elsif (divide_by_4 = ‘1’) then

　　nibble_data_in

　　<= nibble_wide_data;

　　end if;

　　end if;

　　END PROCESS nibble_proc

　　时序约束的重要性

　　如果您希望自己的逻辑正确运行，则必须采用正确的时序约束。如果您已经慎重确保代码全部同步且注册了全部 I/O，则这些步骤可以显著简化时序收敛。在采用上述代码并且假定系统时钟为100MHz 时，则只需四行代码就可以轻松完成时序约束文件，如下所示：

　　NET sys_clk_bufg TNM_NET =

　　sys_clk_bufg;

　　TIMESPEC TS_sys_clk_bufg = PERIOD

　　sys_clk_bufg 10 ns HIGH 50%;

　　FFSET = IN 6 ns BEFORE sys_clk;

　　FFSET = OUT 6 ns AFTER sys_clk;

　　请注意：赛灵思 FPGA 中 I/O 注册逻辑的建立与保持时间具有很高的固定性，在一个封装中切勿有太大更改。但是，我们仍然采用它们，主要用作可确保设计符合其系统参数的验证步骤。

　　三步简单操作

　　仅需遵循以下三步简单操作，设计人员即可轻松实施可靠的代码。

　　• 切勿让综合工具猜测您的预期。采用赛灵思原语对所有 I/O 引脚和关键逻辑进行明确定义。确保定义 I/O 引脚的电气特性；

　　• 确保逻辑 100% 同步，并且让所有逻辑参考主时钟域；

　　•  应用时序约束确保时序收敛。

　　只要遵循上述三个步骤，您就能够消除综合与时序导致的差异。扫除这两个主要障碍会让您获得具有 100% 可靠性的代码。