如何利用FPGA进行时序分析设计

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。对于时序如何用FPGA来分析与设计，本文将详细介绍。

基本的电子系统如图 1所示，一般自己的设计都需要时序分析，如图 1所示的Design，上部分为时序组合逻辑，下部分只有组合逻辑。而对其进行时序分析时，一般都以时钟为参考的，因此一般主要分析上半部分。在进行时序分析之前，需要了解时序分析的一些基本概念，如时钟抖动、时钟偏斜（Tskew）、建立时间（Tsu）、保持时间（Th）等。时序分析也就是分析每一个触发器（寄存器）是否满足建立时间/保持时间，而时序的设计的实质就是满足每一个触发器的建立时间/保持时间的要求。

图 1  基本的电子系统

一、时钟抖动和时钟偏斜

1. 时钟抖动

时钟信号边沿变化的不确定时间称为时钟抖动，如图 2所示。一般情况下的时序分析是不考虑时钟抖动，如果考虑时钟抖动，则建立时间应该是Tsu+T1，保持时间应该是Th+T2。

图 2  时钟抖动时序图

2. 时钟偏斜

时序偏斜分析图如图 3所示。时钟的分析起点是源寄存器（Reg1），终点是目标寄存器（Reg2）。时钟在图中的结构中传输也会有延迟，时钟信号从时钟源传输到源寄存器的延时为Tc2s，传输到目标寄存器的延时为Tc2d。时钟网络的延时为Tc2s与Tc2d之差，即Tskew=Tc2d-Tc2s。

图 3  时钟偏斜时序图

二、建立时间和保持时间

建立时间（Setup Time）常用Tsu表示，指的是在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据和使能信号稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器，使能信号无效，也就是说在这个时钟周期对数据的操作时无效的；保持时间（Hold Time）常用Th表示，指的是在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据和使能信号稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器，对数据的操作同样是无效的，使能信号无效。数据要能稳定传输，就必须满足建立时间和保持时间的关系，图 4标识了它们间的关系。

图 4  建立时间/操持时间的概念

三、发送沿和捕获沿

(1) 发送沿（Launch Edge）：前级寄存器发送数据对应的时钟沿，是时序分析的起点；

(2) 捕获沿（Latch Edge）：后记寄存器捕获数据对应的时钟沿，是时序分析的终点。相对于launch Edge通常为一个时钟周期，但不绝对，如多周期。

“信号跳变抵达窗口”：对latch寄存器来说，从previous时钟对应的Hold Time开始，到current 时钟对应的Setup Time 结束。

“信号电平采样窗口”：对latch寄存器来说，从current时钟对应的Setup Time开始，到current时钟对应的Hold Time结束。

launch寄存器必须保证驱动的信号跳变到达latch寄存器的时刻处于“信号跳变抵达窗口”内，才能保证不破坏latch寄存器的“信号电平采样窗口”。

图 5  Launch Edge和Latch Edge

四、数据和时钟的时序分析

如图 6所示，为分析建立时间/保持时间的基本电路图。Tclk1为Reg1的时钟延时，Tclk2为Reg2的时钟延时，Tco为Reg1固有延时，Tdata为Reg1的到Reg2之间组合逻辑的延时，Tsu为Reg2的建立时间，Th为Reg2的保持时间，设时钟clk周期为T，这里分析数据的建立时间和保持时间。

图 6  基本电路图

1、建立时间的分析

如图 7所示，建立时间的分析是以第一个launch Edge为基准，在Latch Edge查看结果。建立时间的裕量（T为时钟周期）：

Setup Stack = (T+Tclk2) – Tsu – (Tclk1+Tco+Tdata)

假设△T = Tclk2-Tclk1，则：

Setup Stack = (T+△T) – Tsu – (Tco+Tdata)

可见△T<0影响建立时间，使建立时间的要求更加苛刻。因此对于△T尽量避免，采用同步单时钟，并且尽量采用全局的时钟信号，这样△T几乎为0，,△T的影响几乎不存在，可以忽略不计。

如果建立时间的裕量Setup Stack小于0，则不满足建立时间，也就会产生不稳定态，并通过寄存器传输下去。

图 7  建立时间时序分析图

2、保持时间的分析

如图 8所示，保持时间的分析是以第二个launch Edge为基准，在Latch Edge查看结果。保持时间的裕量：

Hold Stack = (Tclk1+Tco+Tdata) – Tclk2 – Th

假设△T = Tclk2-Tclk1，则：

Hold Stack = (Tco+Tdata) – △T – Th

可见△T>0影响保持时间，使保持时间的要求更加苛刻。。因此对于△T尽量避免，采用同步单时钟，并且尽量采用全局的时钟信号，这样△T几乎为0，,△T的影响几乎不存在，可以忽略不计。

如果保持时间的裕量Hold Stack小于0，则不满足保持时间，也就会产生不稳定态，并通过寄存器传输下去。

图 8  保持时间时序分析图

五、DT6000S项目实例

DT6000S项目上有4路光以太网接口连接到FPGA，由FPGA进行实现MAC层和解码IEC61850的SV和GOOSE。以太网PHY通过MII接口和FPGA，因此FPGA与外部的接口有4路MII接口。项目初期是实现1路光以太网接口，并且验证功能正确之后，但是后期变成的4路光以太网时，总会存在1路光以太网通信不正常。经过分析得到是FPGA通MII接口和PHY的时序不满足。如图 9所示为MII接口的时序图，时序不满足分为TX_CLK和RX_CLK。

其一是PHY输出的TX_CLK和FPGA依据TX_CLK产生的TXD[3:0]&TX_EN延时大，主要延时为内部逻辑的延时，PCB延时小并且一致，导致PHY的TX_CLK的建立时间不满足，从而导致发送数据错误。

其二是PHY输出的RX_CLK和RXD[3:0]&RX_DV&RX_ER到FPGA内部同步触发器的延时之差太大，导致FPGA内部同步触发器的RX_CLK的建立时间不满足，从而导致接收数据错误。

因此FPGA在综合时需要添加约束，使之时序满足要求，约束的条件为TXD[3:0]和TX_EN的输出延时要少。RX_CLK和RXD[3:0]&RX_DV&RX_ER路径延时之差要小。添加约束之后，4路MII接口的光以太网数据通信就正常了。

图 9  MII时序图

这里阐述了时序分析基础，说明概念的同时进行了时序分析，通过时序分析理解建立时间和保持时间。希望大家阅读本文之后可以对FPGA时序分析有进一步的了解。