FPGA时序约束分享01_约束四大步骤

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第一章 FPGA设计之时序约束四大步骤

作者：潘文明

     本文章探讨一下FPGA的时序约束步骤，本文章内容，来源于配置的明德扬时序约束专题课视频。
     时序约束是一个非常重要的内容，而且内容比较多，比较杂。因此，很多读者对于怎么进行约束，约束的步骤过程有哪些等，不是很清楚。明德扬根据以往项目的经验，把时序约束的步骤，概括分成四大步，分别是时钟的约束、input delays的约束、output delays的约束和时序例外。
     时序约束是有先后的，首先要做时钟约束、其次是input delays约束、再次是output delays约束，最后才是时序例外的约束。这是一个完整的大步骤，也就是说我们在项目开始阶段就可以约束我们的时钟，把我们时钟的频率、周期、来源等等定义好。这一步做完之后，先不要做二三四步。这时候我们要完成我们的设计，要把我们内部的时序都完成之后才做第二步设置“input delays”，比如说我们从外部进来的一个情况。第三步output delays，也就是说要往下游器件发送的一个时序情况。当这一二三步都做完之后，我们在最后项目的阶段才做一个时序例外的情况。时序例外也就是说哪些时序是不需要分析的，这种情况要设置好。最后我们才能把整个时序约束完成。
     以上是大的步骤，但事实上每一个步骤又可以细分成很多种情况。例如时钟约束，时钟可以分很多种，一种是差分时钟，一种是管脚进来的时钟、还有我们PLL产生时钟等等。还有一种是有数据但没有时钟的情况。input delays、output delays 也有很多种，我们到底要怎么样去分析，怎么去看。明德扬就把这四个步骤再进行细化，就是根据情况来分别列出来。
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下面分别展开描述。

第1节 时钟
     时钟约束可以分成很多种情况，不同的情况就有不同的约束方法，一般有哪几种情况呢？
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如上图，时钟约束概括地，可以分成三种情况，分别是输入时钟、PLL等衍生时钟以及自己分步的时钟。

1.1 输入时钟
     输入时钟是指时钟从FPGA管脚进来的情形，这也是最常见的情况。根据输入的管脚的不同，输入时钟情况又可以分成：输入管脚是单端的、输入管脚是差分的，以及GT或者恢复时钟三种情况。
     第一种：输入管脚是单端的，即时钟直接从管脚进来、并且是单端信号。例如普通低速晶振，大部分是这种情况，明德扬的FPGA ALTERA学习板，如MP801、MP603，其时钟均是由晶振产生，送到FPGA，并且是单端的信号。
     第二种：输入管脚是差分的，即时钟直接从管脚进来，并且是差分信号。大部分高速晶振、LVDS接口等，属于此情形。例如明德扬FPGA XILINX学习板，如MP802，其包含了PCIE管脚，其输入的时钟就是差分的；这个板子的DDR的驱动时钟，时钟频率在200M左右，也是属于此种以情形。
     第三种：GT或者恢复时钟，即使用了高速收发器的情形。在高速收发器管脚中，是没有时钟的，时钟已经嵌入到数据里面，使用FPGA的GTX IP核接收数据，并且从数据恢复出时钟。这个恢复出来的时钟就是此种情形。最常见的就是光纤接口。

1.2 PLL等衍生时钟
     那假如说我不是输入管脚，而是PLL产生的输出时钟，这个 就是PLL等衍生时钟。这种时钟，FPGA的工具，会自行推导，一般无需约束，但实质应用中，强烈建议约束，会有好处的，好处在下一篇文章中说明。

1.3 自己分频的时钟
     还有一种情况是自己分频的时钟，假如说我们自己写了一个计数器，把它二分频、四分频、八分频等，分频出来的信号当为时钟，这种情况就是自己分频的时钟。
     首先说明，明德扬不推荐使用此方法来产生时钟。但确实要用到分频时钟时，那就要记得做时钟约束。这种情况下要怎么进行约束呢？

     以上概括了说明了时钟的几种情况，每种情况下，其约束方法都有些不同以及注意点。具体约束方法，可以看后续文章的内容。

第2节 input delays
     input delay约束，即输入延时约束，是时序约束的重点，input delay 又分几种呢？
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如上图，input delay约束概括地，可以分成三种情况，分别是系统同步、源同步和有数据无时钟。

2.1 系统同步
     第一个是系统同步方式，也就是说整个电路板上FPGA以及上游器件都共用一个时钟，并且相位严格相同，这个就是系统同步的方式。

2.2 源同步
     第二种是源同步的方式，源同步是怎么样？就是上游器件，把数据和时钟信号一起送到FPGA上来的，那这种就是源同步。
     源同步是更常用的一种方式，系统同步比较少用，为什么呢？因为要做到上游器件跟FPGA的相位差为0，没有一点时钟差，这种要求非常高。而源同步是数据跟时钟都是从上游器件一起输送过来给FPGA，这是一种更常用的方式。
     这个源同步，又有很多种，具体SDR、DDR和有数据无时钟三种情况。
     第一种：SDR。SDR是指时钟是单沿有效的方式，比如说我只用上升延或者下降延的一个方式，SDR约束的参数，其获取的方法有两种：查看上游器件手册（通过查看上游器的数据手册，获取参数）以及通过示波器测量（通过示波器测量信号的相位差，获取参数）。

     第二种：DDR。DDR是另一种方式，它是一种时钟双沿有效的一个方式。也就说即用它的上升延，也用它的下降延。例如说我们的DDR2、DDR3的时钟，都是上下降沿一直采数据的；包括千兆网的RGMII接口，也是通过双沿的方式。
DDR的这种情况，我们还可以继续划分成中心对齐和边沿对齐两种情况。
中心对齐是指：时钟边沿始终在数据的中间，时钟上升沿的左右两边，数据都是稳定的。边沿对齐是指：时钟和数据边沿对齐的，在时钟变化沿两边，其数据是不稳定的。
     第三种：有数据无时钟。第三种就是有数据无时钟的情况。例如说常见的串口。串口是直接数据过来的，它是没有随路时钟过来的。而我们用本地时钟去采样，就会出现有数据无时钟。那对于这种我们应该怎么去约束，又是另一种情况。

第3节 output delays
     输出延时约束和输入延时一样，也是约束的重点。output  delay 我们主要分两种，系统同步和源同步。

3.1 系统同步
     整个电路板上FPGA以及下游器件都共用一个时钟，并且相位严格相同，这个就是系统同步的方式。此时FPGA往下游器件发送数据，这时候只传送数据线就可以了。而时钟跟FPGA共用一个的，不需要传时钟。

3.2 源同步
     源同步就是FPGA往这个器件发数据，在发数据过程中也发一个时钟过去，这是一个随路时钟的一个方式，是源同步。
     源同步我们还分SDR和DDR。
     第一种：SDR。SDR是指时钟是单沿有效的方式，比如说我只用上升延或者下降延的一个方式，SDR约束的参数，其获取的方法有两种：查看上游器件手册（通过查看上游器的数据手册，获取参数）以及通过示波器测量（通过示波器测量信号的相位差，获取参数）。示波器测量比较少用。

     第二种：DDR。DDR是另一种方式，它是一种时钟双沿有效的一个方式。也就说即用它的上升延，也用它的下降延。例如说我们的DDR2、DDR3的时钟，都是上下降沿一直采数据的；包括千兆网的RGMII接口，也是通过双沿的方式。
     DDR的这种情况，我们还可以继续划分成中心对齐和边沿对齐两种情况。
     中心对齐是指：时钟边沿始终在数据的中间，时钟上升沿的左右两边，数据都是稳定的。边沿对齐是指：时钟和数据边沿对齐的，在时钟变化沿两边，其数据是不稳定的。

第4节 时序例外
     时序例外一般用在clock与IO都约束后，还是不满足时序要求的情况下。主要包括多周期路径、不需要检查的路径和组合电路延时等三种情况，如下图。
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4.1 多周期路径
     多周期路径是指完成一个运算需要超过1个时钟周期的情形，多周期路径在IC设计领域运用较多，但在FPGA里应用较少。

4.2 不需要检查的路径
     有一些路径是不需要分析的，具体可以分成三种：常量或伪常量信号、互斥路径和异步时钟。
     第一种：常量或伪常量信号。某些信号虽然不满足时序要求，但实质上该信号在应用场景中，是不会改变的，例如某个开关信号，它在上电时打开后，就一直保持打开状态，不会变来变去。那么这个信号就可以认为是伪常量信号。假设它不满足时序要求，也是无所谓的，因为不会变，不会变就意味着建立时间和保持时间肯定满足，所以不存在问题。这种信号是不需要检查 的。
     第二种：互斥的路径。可以简单认为是双向端口，即代码中，使用inout定义的信号。
     第三种：异步时钟。即信号从一个时钟域，跨到另一个时钟域的情况。这也是不需要检查 的。注意，这里说不用检查，是指完成异步信号同步化后，不用检查的意思。

4.3 组合电路延时
     还有一种是组合电路的延时。组合电路延时就是说我从这个管脚到另一个管脚之间，另一个管脚进来，这个管脚出去中间没有任何一个时钟，这是组合电路给延时的一种情况。

第5节 总结与建议
     前面我们讲了时钟约束、输入延时、输出延时还时序例外的情况。每一种情况又分了很多种，根据它的不同类型来区分，每次约束的时候都是其中的一种情况。比如说CLK差分，就去找时钟，然后根据差分管脚怎么约束，来找到对应情况，按照要求进行约束。这相当于我已经提供一个表给你，你按照这个表去核对。找到对应的情况，按要求进行约束就可以了。

     记住：开始的时候，只是配置时钟，不配置input  delay 、 output  delays和持续例外。因为我们开始的时候是专心于内部电路，我们时序的一个设计，满足内部要求之后，再去配置我们的接口。在时钟完全通过之后再配置input  delay 和output delays 。

     时序例外是最后差不多要完工了再进行配置的。而且这个配置是要很小心。因为我们实际例外，比如说不用检查，我们set false path这种情况，设置好就是表示不用检查。如果在开始的时候，就设置好了，万一中间又要改变，你改变的话，那你忘了把这个约束给干掉了，这种情况就会出现有错误也提示不出来的情况。所以说时序例外应该是最后情况下进行的。

     这个顺序是明德扬经验的一个顺序，我们的项目基本上是按照这个顺序做的。但是不同的公司也会有不同的做法。例如说我一开始全部都不约束，到最后再生约束，这也是可以的。这种做法没有统一标准，反正学明德扬的课程，你就按这个步骤做，去到其他公司，再根据公司要求去做就可以了。

     本文章是基于赛灵思的一个时序约束，ALTERA也是相似的，甚至IC芯片设计领域，也是同样的思路。
     有句话讲的很好，我们的时序是设计出来的，不是约束出来的。所以说时序重要还是不重要？当然重要。但是它不是非常重要，更重要的是假如说我时序出现例外，不满足的时候，更重要是改变你的设计，而不是要求约束。

下一篇文章，我们将具体探讨“时钟约束”的内容，讲解各种情况下的时序约束方法。需要更多更详细的资料，可以找作者了解。