如何有效的管理FPGA設計中的時序問題

　　圖4：QDR存儲器讀取時序圖-MT54W1MH18J。

　　從圖4可以看出在FPGA的管腳上，PCB傳播延遲與時鐘(CQ_FPGA)和數(shù)據(jù)(Q_FPGA)信號間的關系。在TimingDesigner軟件的動態(tài)鏈接參數(shù)表中使用單獨的變量可以輕松地獲得PCB板的延時及延遲值對相關的信號的影響?，F(xiàn)在，我們可以在適當?shù)腇PGA裝置中，為獲取時鐘而得到內部布線延遲和確定正確的相位偏移。

　　四、FPGA設計要素

　　大多數(shù)的FPGA利用約束驅動進行布局和布線。時序約束為關鍵信號提供時序信息。TimingDesigner軟件提供獨特的時序參考圖如測量和計算變量結果，從行內文字到文件都支持廠商特定的約束語法。例如，在一個FPGA約束布線中，對符合其動態(tài)文字窗口的語法要求中，可以通過時序圖中為特定信號計算延遲誤差。然后，我們可以將這些語法通過一個文本文件導入到FPGA的開發(fā)系統(tǒng)中，或者我們可以直接將數(shù)值復制到FPGA的約束編輯器中。

　　對于高速存儲器接口設計，數(shù)據(jù)存儲器被放置在FPGA裝置I/O單元的附近，以盡量減少布線延時的影響。該I/O單元只有一個布線路徑為輸入數(shù)據(jù)信號，因此在數(shù)據(jù)總線的每一部分都存在數(shù)據(jù)路徑延遲。FPGA的PLL也被用來進行適當?shù)臅r鐘控制，并通常有幾種可能的從輸入焊盤到捕捉寄存器的路徑。制造商通過控制特定的屬性，使PLL的特點包括相位偏移，相乘，或相除等因素，無論是原始示例的設計代碼或約束都可以帶入模塊。因此，時鐘和數(shù)據(jù)路徑的布線和延誤必須確定，以實現(xiàn)適當?shù)臅r鐘相位偏移。

　　圖5：TimingDesigner軟件為FPGA設計流程提供直觀的界面。

　　在FPGA的最初布局和布線完成后，時序報告提供數(shù)據(jù)總線中每個時序的詳細延時信息。如果有必要，可為FPGA開發(fā)系統(tǒng)的關鍵信號設定延時路徑，TimingDesigner軟件可以提取相關信息和利用圖表更新。在這個設計實例中，我們需要輸入數(shù)據(jù)總線和相關時鐘信號的時序報告。

　　導入布線后的時序到TimingDesigner軟件中

　　導入FPGA的時序報告信息，我們需要規(guī)劃最壞的情況從而確定在圖表(Q_FPGA)中相關的波形圖。信號設計規(guī)范定義在同一個時序圖表中不能帶有同名的波形圖。通過規(guī)劃端口， TimingDesigner軟件可以過濾時序報告并提取有用的信息。這些規(guī)劃被存儲在圖表文件內并可預先解決的布局和布線問題。

　　提供可視化的捕捉寄存器

　　從導入時序報告文件開始， TimingDesigner軟件為關鍵信號延時創(chuàng)建變量，并在電子數(shù)據(jù)表中規(guī)劃和分配這些信號端口。變量過去是用來在時序圖中更新時鐘與數(shù)據(jù)關系。現(xiàn)在，可確定在FPGA器件內捕捉寄存器中的邊緣關系。

　　內部寄存器建立和保持是從時序報告和相關的約束中提取所需的時序。下一步，在時序圖表中添加另外兩個信號和偏移時序報告中的布線延時;在捕捉寄存器中添加數(shù)據(jù)和時鐘，然后建立和保持FPGA器件適用的約束。用時鐘邊緣和有效數(shù)據(jù)窗口邊緣的補償確定必要的相位偏移，來平衡設計中有效的數(shù)據(jù)窗口。

　　平衡有效數(shù)據(jù)窗口

　　我們可以使用下列公式來確定PLL時鐘信號產(chǎn)生的相位偏移：

　　1、從設計的實際有效數(shù)據(jù)窗口減少FPGA裝置I/O部分的最小有效數(shù)據(jù)窗口，然后結果除于2，實際結果為這2個有效數(shù)據(jù)窗口的差額(DlyDVW)。(參考圖3)

　　DlyDVW=(DVWdata-DVWdev)/2

　　2、I/O寄存器數(shù)據(jù)建立時間加上DlyDVW值，就確定了相對時鐘邊緣的有效數(shù)據(jù)窗口(DlyRelSU)。

　　DlyRelSU=DlyDVW+IOEsu

　　3、最后，從相對建立時間(上面第2步得到的數(shù)值)，減去時鐘信號與捕捉寄存器的有效數(shù)據(jù)窗口(從時序圖測量)之間的補償。

　　Clk_offset=DlyRelSU-EdgeOffset

　　利用上述公式，我們可以確定FPGA開發(fā)系統(tǒng)中PLL的相位偏移量，并執(zhí)行到下一步的布局和布線。

　　驗證結果

　　再次導入做過以上修改的布線后時序文件，TimingDesigner軟件會自動更新需要的數(shù)值，并更正及重新定位I/O單元的時鐘信號CQ_intPLL。如圖6所示。依靠改變PLL，確切的平衡建立和保持空余將是不可能的。對于這些情況下，應該在FPGA裝置的PLL中獲取平衡增量以解決這個問題。

　　圖6：在改變時鐘和平衡建立及保持空余后，獲取數(shù)據(jù)分析的時序圖表。

　　五、綜述

　　高速設計往往有嚴格的規(guī)范和嚴謹?shù)陌l(fā)布時間表，所以需要一個交互式的時序規(guī)劃和分析工具，來獲得快速和完整的時序空余，以分析并解決可能影響到最終設計成功的因素。本文說明了如何利用TimingDesigner軟件對FPGA設計流程進行準確地捕捉和交換時序信息，以幫助在整個設計過程中管理時序空余，并提供可視化的界面驗證設計，并預測設計性能。今天的FPGA器件產(chǎn)品都帶有多功能的時鐘配置和豐富的I/O資源，并且?guī)в懈邤?shù)據(jù)傳輸能力，TimingDesigner軟件為高速存儲器如DDR QDR SRAM提供精確的關鍵路徑時序分析功能。