FPGA静态时序分析简单解读

任何学FPGA的人都跑不掉的一个问题就是进行静态时序分析。静态时序分析的公式,老实说很晦涩,而且总能看到不同的版本,内容又不那么一致,为了彻底解决这个问题,我研究了一天,终于找到了一种很简单的解读办法,可以看透它的本质,而且不需要再记复杂的公式了。

我们的分析从下图开始,下图是常用的静态分析结构图,一开始看不懂公式不要紧,因为我会在后面给以非常简单的解释:


这两个公式是一个非常全面的,准确的关于建立时间和保持时间的公式。其中Tperiod为时钟周期;Tcko为D触发器开始采样瞬间到D触发器采样的数据开始输出的时间;Tlogic为中间的组合逻辑的延时;Tnet为走线的延时;Tsetup为D触发器的建立时间;Tclk_skew为时钟偏移,偏移的原因是因为时钟到达前后两个D触发器的路线不是一样长。

这里我们来做如下转化:

因为对于有意义的时序约束,建立时间余量 Tslack, setup和保持时间余量Thold都要大于0才行,所以对于时序约束的要求其实等价于:

Tperiod > Tcko + Tlogic + Tnet + Tsetup - Tclk_skew             (1)

Tcko + Tlogic + Tnet > Thold + Tclk_skew                             (2)

之前说了,这两个公式是最全面的,而实际上,大部分教材没讲这么深,他们对于一些不那么重要的延时没有考虑,所以就导致不同的教材说法不一。这里,为了得到更加简单的理解,我们按照常规,忽略两项Tnet和Tclk_skew。原因在于Tnet通常太小,而Tclk_skew比较不那么初级。简化后如下:

Tperiod > Tcko + Tlogic + Tsetup                                         (3)

Tcko + Tlogic > Thold                                                         (4)

简单多了吧!但是你能看出这两个公式的含义吗?其实(3)式比较好理解,意思是数据从第一个触发器采样时刻传到第二个触发器采样时刻,不能超过一个时钟周期啊!假如数据传输超过一个时钟周期,那么就会导致第二个触发器开始采样的时候,想要的数据还没有传过来呢!那么(4)式又如何理解呢?老实说,一般人一眼看不出来。

我们对于(4)式两边同时加上Tsetup,得到(5):

Tcko + Tlogic + Tsetup > Thold + Tsetup                               (5)

结合(3)式和(5)式,我们得到如下的式子:

Thold + Tsetup  < Tcko + Tlogic + Tsetup <  Tperiod                   (6)

这个式子就是那个可以让我们看出规律的式子。也是可以看出静态时序分析本质的式子。

Tcko + Tlogic + Tsetup是指数据从第一级触发器采样瞬间开始,传输到第二级触发器并被采样的传输延时。我们简称为数据传输延时。下面讲述(6)式两端的含义。

Tcko + Tlogic + Tsetup <  Tperiod :约定数据传输延时不能太大,如果太大(超过一个时钟周期),那么第二级触发器就会在采样的时刻发现数据还没有到来。

Thold + Tsetup  < Tcko + Tlogic + Tsetup:约定数据传输延时不能太小。这就奇怪了,数据传得太慢大家都知道不好,难道传得太快也不行吗?是的,不行!Thold+Tsetup是一个触发器的采样窗口时间,我们知道,D触发器并不是绝对的瞬间采样,它不可能那么理想。在D触发器采样的瞬间,在这瞬间之前Tsetup时间之内,或者这瞬间之后Thold时间之内,如果输入端口发生变化,那么D触发器就会处于亚稳态。所以采样是有窗口的,我们把Thold+Tsetup的时间宽度叫做触发器的采样窗口,在窗口期内,D触发器是脆弱的,对毛刺没有免疫力的。假如数据传输延时特别小,那么就会发现,当第二级触发器开始采样的时候,第一级触发器的窗口期还没有结束!也就是说,如果这个时候输入端数据有变化,那么不仅第一级触发器处于亚稳态,第二级触发器也将处于亚稳态!

综上,我们就可以知道,数据传输延时既不能太大以至于超过一个时钟周期,也不能太小以至于小于触发器采样窗口的宽度。这就是静态时序分析的终极内涵。有了这个,就不需要再记任何公式了。

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