時序分析是FPGA設(shè)計(jì)中永恒的話題，也是FPGA開發(fā)人員設(shè)計(jì)進(jìn)階的必由之路。慢慢來，先介紹時序分析中的一些基本概念。

時鐘的時序特性主要分為抖動（Jitter）、偏移（Skew）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）3點(diǎn)。對于低速設(shè)計(jì)，基本不用考慮這些特征；對于高速設(shè)計(jì)，由于時鐘本身的原因造成的時序問題很普遍，因此必須關(guān)注。

時鐘抖動 （clock jitter）

理想的時鐘信號應(yīng)該是理想的方波，但是現(xiàn)實(shí)中的時鐘的邊沿變化不可能是瞬變的，它有個從低到高 / 從高到低的變化過程，如下圖所示。

常見的抖動參數(shù)有3種：

周期抖動（Period Jitter）：周期抖動率（Period Jitter）測量時鐘輸出傳輸偏離其理想位置的最大偏離。Period Jitter代表周期差抖動的上下邊界。

周期差抖動（cycle-to-cycle Jitter）：周期差抖動率（cycle-to-cycle jitter）是兩個相鄰周期的時間偏差。它總是小于周期抖動（period jitter）

長期抖動（Long-term Jitter）：長期抖動率如下圖（Long-Term Jitter）定義為一個時鐘沿相對于基準(zhǔn)周期時鐘沿經(jīng)過一段時間的延時之后，與其理想位置的偏離。此測量可以捕獲鎖相環(huán)低頻周期變化（緩慢的，頻率很低的）。長期抖動對圖形、串行連接通訊系統(tǒng)、打印機(jī)和任何光柵掃描操作非常重要。

時鐘抖動的原因就是噪聲。時鐘抖動是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到可以和時鐘周期相比擬的時候，會影響到設(shè)計(jì)，這樣的抖動是不可接受的。

時鐘偏斜 （clock skew）

時鐘信號要提供給整個電路的時序單元，所以時鐘信號線非常長，并構(gòu)成分布式的RC網(wǎng)路。它的延時與時鐘線的長度、時序單元的負(fù)載電容、個數(shù)有關(guān)，所以產(chǎn)生所謂的時鐘偏移。時鐘偏移是指同一個時鐘信號到達(dá)兩個不同的寄存器之間的時間差值，根據(jù)差值可以分為正偏移和負(fù)偏移。

時鐘偏移的計(jì)算公式：Tskew = Tclk2 - Tclk1

時鐘偏移是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到一定程度會影響電路的時序。解決方法就是在FPGA的設(shè)計(jì)中讓主要的時鐘信號走全局時鐘網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用全銅工藝和樹狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了專用時鐘緩沖和驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)，到所有的IO單元、CLB和塊RAM的偏移非常小，可以忽略不計(jì)。

占空比失真DCD （Duty Cycle Distortion）

即時鐘不對稱，時鐘的脈沖寬度發(fā)生了變化。DCD會吞噬大量的時序裕量，造成數(shù)字信號的失真，使過零區(qū)間偏離理想的位置。DCD通常是由信號的上升沿和下降沿之間時序不同而造成的。

信號扇入/扇出 （fan-in/fan-out）

扇出（fan-out）是定義單個邏輯門能夠驅(qū)動的數(shù)字信號輸入最大量的術(shù)語。大多數(shù)TTL邏輯門能夠?yàn)?0個其他數(shù)字門或驅(qū)動器提供信號。因而，一個典型的TTL邏輯門有10個扇出信號。

在一些數(shù)字系統(tǒng)中，必須有一個單一的TTL邏輯門來驅(qū)動10個以上的其他門或驅(qū)動器。這種情況下，被稱為緩沖器（buf）的驅(qū)動器可以用在TTL邏輯門與它必須驅(qū)動的多重驅(qū)動器之間。這種類型的緩沖器有25至30個扇出信號。邏輯反向器（也被稱為非門）在大多數(shù)數(shù)字電路中能夠輔助這一功能。

模塊的扇出是指模塊的直屬下層模塊的個數(shù)。一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)平均扇出是3或4。一個模塊的扇出數(shù)過大或過小都不理想，過大比過小更嚴(yán)重。一般認(rèn)為扇出的上限不超過7。扇出過大意味著管理模塊過于復(fù)雜，需要控制和協(xié)調(diào)過多的下級。解決的辦法是適當(dāng)增加中間層次。一個模塊的扇入是指有多少個上級模塊調(diào)用它。

扇人越大，表示該模塊被更多的上級模塊共享。這當(dāng)然是我們所希望的。但是不能為了獲得高扇人而不惜代價，例如把彼此無關(guān)的功能湊在一起構(gòu)成一個模塊，雖然扇人數(shù)高了，但這樣的模塊內(nèi)聚程度必然低，這是我們應(yīng)避免的。設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)，上層模塊有較高的扇出，下層模塊有較高的扇人。其結(jié)構(gòu)圖像清真寺的塔，上面尖，中間寬，下面小。

時序分析起點(diǎn)和終點(diǎn)

時序分析起點(diǎn)（launch edge）：第一級寄存器數(shù)據(jù)變化的時鐘邊沿，也是靜態(tài)時序分析的起點(diǎn)。

時序分析終點(diǎn)（latch edge）：數(shù)據(jù)鎖存的時鐘邊沿，也是靜態(tài)時序分析的終點(diǎn)。

數(shù)據(jù)輸出延時 （Tco）

數(shù)據(jù)輸出延時（Tco）：這個時間指的是當(dāng)時鐘有效沿變化后，數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端的最小時間間隔。

建立時間 （setup time）

建立時間（setup time）是指觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間。輸入信號應(yīng)提前時鐘上升沿（如上升沿有效）T 時間到達(dá)芯片，這個T就是建立時間。簡而言之，時鐘邊沿觸發(fā)前，要求數(shù)據(jù)必須存在一段時間，這就是器件需要的建立時間。如不滿足建立時間，這個數(shù)據(jù)就不能被這一時鐘打入觸發(fā)器，只有在下一個時鐘上升沿，數(shù)據(jù)才能被打入觸發(fā)器。

保持時間 （hold time）

保持時間（hold time）是指觸發(fā)器的時鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間。簡而言之，時鐘邊沿觸發(fā)后，數(shù)據(jù)也必須保持一段時間，以便能夠穩(wěn)定讀取，這就是器件需要的保持時間。如果hold time 不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。

如果不滿足建立和保持時間的話，那么DFF（D type flip-flop/D類型觸發(fā)器） 將不能正確地采樣到數(shù)據(jù)，將會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)（metastability ）的情況。如果數(shù)據(jù)信號在時鐘沿觸發(fā)前后持續(xù)的時間均超過建立和保持時間，那么超過量就分別被稱為建立時間裕量和保持時間裕量。

數(shù)據(jù)到達(dá)時間 （Data Arrival Time）

輸入數(shù)據(jù)在有效時鐘沿后到達(dá)所需要的時間。主要分為三部分：時鐘到達(dá)寄存器時間（Tclk1），寄存器輸出延時（Tco）和數(shù)據(jù)傳輸延時（Tdata）。

數(shù)據(jù)到達(dá)時間的計(jì)算公式：

Data Arrival Time = Launch edge + Tclk1 +Tco + Tdata

時鐘到達(dá)時間 （Clock Arrival Time）

時鐘從latch邊沿到達(dá)鎖存寄存器時鐘輸入端所消耗的時間為時鐘到達(dá)時間。

時鐘到達(dá)時間的計(jì)算公式：

Clock Arrival Time = Lacth edge + Tclk2

建立裕量 （Setup Slack）

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，就說時間有余量，Slack是表示設(shè)計(jì)是否滿足時序的一個稱謂。

建立裕量的計(jì)算公式：

Setup slack = Data Required Time - Data Arrival Time

正的slack表示數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間，滿足時序（時序的余量），負(fù)的slack表示數(shù)據(jù)需求時間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時間，不滿足時序（時序的欠缺量）。

最大時鐘頻率

時鐘最小周期：系統(tǒng)時鐘能運(yùn)行的最高頻率。

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，時鐘具有余量

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，不滿足時序要求，寄存器經(jīng)歷亞穩(wěn)態(tài)或者不能正確獲得數(shù)據(jù)

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時間等于數(shù)據(jù)到達(dá)時間時，這是最小時鐘運(yùn)行頻率，剛好滿足時序

最小時鐘周期為數(shù)據(jù)到達(dá)時間等于數(shù)據(jù)需求時間。

時序分析

分析上圖，數(shù)據(jù)傳播的路徑從上一級觸發(fā)器到下一級觸發(fā)器建立經(jīng)過的數(shù)據(jù)時延總和為：Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup - slack + Tsu。

在兩級寄存器之間，時鐘間隔為：Tclk + Tclk2。

根據(jù)建立時間要求（在下一個時鐘上升沿到來的時候，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，且保持一定的時間Tsu）可以列一個不等式：數(shù)據(jù)時延時鐘間隔，即：Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup - slack + Tsu = Tclk + Tclk2。

同理，根據(jù)保持時間要求（時鐘上升沿到來后，寄存器鎖存數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)要保持一定的穩(wěn)定時間Th）可以列出：Tco + Tdata = Th。

隨著系統(tǒng)時鐘 fclk 變大時，Tclk變小，則要求 Tco + Tdata 也變小，當(dāng) Tco + Tdata 不滿足第一個不等式時，不滿足建立時間要求；但是，Tco + Tdata 也不是越小越好，當(dāng)其太小時，不滿足第二個不等式時，觸發(fā)器不能正常鎖存數(shù)據(jù)，即不滿足保持時間要求。從某種意義上說，Th限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。

對于設(shè)計(jì)者來說最大的目的是提高時序的裕量，這樣即使信號完整性上出現(xiàn)一點(diǎn)問題，或者外界環(huán)境發(fā)生一定的變化，系統(tǒng)仍然能正常工作，這就是一個設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)該體現(xiàn)出的超強(qiáng)的穩(wěn)定性。

審核編輯：郭婷