原创 Quartus II Timequest Timing Analyzer进行时序分析（1）

一，概述

用Altera的话来讲，timequest timing analyzer是一个功能强大的，ASIC-style的时序分析工具。采用工业标准--SDC（synopsys design contraints）--的约束、分析和报告方法来验证你的设计是否满足时序设计的要求。在用户的角度，从我使用TimeQuest的经验看，它与IC设计中经常用到的比如prime time，time craft等STA软件是比较类似的。用过prime time或time craft的朋友是非常容易上手的。

在这一系列的文章里，我将会拿一个DAC7512控制器的verilog设计作为例子，详细讲解如何使用TimeQuest进行时序设计和分析。

二，TimeQuest的基本操作流程

做为altera FPGA开发流程中的一个组成部分，TimeQuest执行从验证约束到时序仿真的所有工作。Altera推荐使用下面的流程来完成TimeQuest的操作。

1. 建立项目并加入相关设计文件

    不管做什么事情，都需要有一个目标或者说对象。我们用TimeQuest做时序分析，当然也需要一个对象，这个对象实际上就是我们的设计。所以首先是要建立一个Quartus II的项目，并把所有需要的设计文件都加入到项目中去。需要注意的一点是，这里的设计文件，不仅仅包含逻辑设计相关的文件，也包含已经存在的时序约束文件，当然，需要以synopsys Design Constraints(.sdc)的格式存在的。

2. 对项目进行预编译（initial compilation）

    项目建立以后，如果从来没有对项目进行过编译的话，就需要对项目进行预编译。这里的预编译是对应于全编译（full compilation）来讲的，我们可以理解为预编译是对项目进行部分的编译，而全编译是对项目进行完整的编译。做预编译的目的是为了生成一个initial design database，然后我们可以根据这个database用Timequest采用交互的模式生成时序约束。实际上，对于小的设计，编译时间并不是很长的话，完全可以不去区分预编译和全编译，需要编译的时候，直接做全编译就可以了，做全编译的话，可以生成一个post-fit的database，完全可以给TimeQuest使用。

3. 向设计中添加时序约束

     在用TimeQuest做时序分析之前，必须要指定出对时序的要求，也就是我们通常所说的时序约束。这些约束包括时钟，时序例外（timing exceptions）和输入/输出延时等。

    默认情况下，Quartus II 软件会给所有没有被下约束的时钟都设定为1GHz。没有任何的时序例外，也就是说所有的timing path都按1T去check。所有的输入/输出的延迟都按0来计算。这显然不符合绝大多数设计的时序要求，所以有必要根据设计的特性，添加必要的时序约束。

    如上所述，时序约束主要包括三类：时钟，时序例外和输入/输出延迟。其中时钟和输入/输出延迟可以认为是在某种程度上增强时序设计的要求。而时序例外可以认为是在某种程度上降低时序设计的要求。比如说，仅仅设定一个时钟的频率为100MHz的话，这个时钟域里所有timing path都需要能工作在100MHz下。这显然是增强了时序设计的要求。可是如果在这个时钟域下面，有部分timing path是不需要做1T的check的，那么就可以通过添加时序例外来避免对这些timing path做1T的check，即降低了时序设计的要求。

    在用TimeQuest做时序分析时，如果非常熟悉设计的构架和对时序的要求，又比较熟悉sdc的相关命令，那么可以直接在sdc文件里输入时序约束的命令。而通常情况下，可以利用TimeQuest GUI提供的设定时序约束的向导添加时序约束。不过要注意的是，用向导生成的时序约束，并不会被直接写到sdc文件里，所以如果要保存这些时序约束，必须在TimeQuest用write sdc的命令来保存所生成的时序约束。

4. 执行完整的编译

    在设定好时序约束以后，就需要对整个设计进行完整的编译。在编译过程中，软件会优化设计的逻辑、布局布线等来尽可能满足所有的时序约束。

    如果没有添加时序约束，那么软件在编译的时候，会按照默认的时序约束对设计进行优化，对于绝大多数的设计，都会报出来时序的问题，但因为默认的时序约束与设计本身的要求在绝大多数情况下，都是不同的，所以这些时序的问题也并不是设计本身的问题，并没有太多的参考价值，而且很多初学者也不会注意到这个问题。这样就把设计中很多潜在的时序问题给隐藏起来了，最终带来的可能就是系统运行的不稳定，甚至是完全不能运行。

5. 验证时序

    当完成编译以后，我们就可以用TimeQuest来验证时序了。在时序分析的过程中，TimeQuest会分析设计中所有的timing path，计算每一条timing path的延时，检查每一条timing path是否满足时序约束，最后按照positive slack或negative slack来报告时序分析的结果。其中negative slack就表示对应的timing path不满足时序约束的要求（timing violation）。

    如果遇到有不满足时序要求的情况，则可以根据对应的时序报告分析设计，确定如何优化设计使之满足时序约束。时序约束有任何变化的话，都需要重新编译设计。这个反复的过程可以让我们解决设计中的时序问题。

三，DAC7512控制器

    DAC7512是一个具有三线串行接口的DAC。我们基于FPGA用Verilog语言实现了一个简单的DAC7512的控制器。下面是控制器的结构图：

    DAC7512控制器由三个模块组成，PLL用来生成控制器所要的时钟C0（25MHz）和C1（50MHz），其lock信号用来做为控制器的异步reset。da_data模块生成要送往DAC7512的数据，其中DA_DATA为数据，DA_DATA_EN为数据有效信号，该模块使用C0时钟，整个属于C0时钟域。DAC7512模块用于将DA_DATA转换成符合DAC7512接口标准的串行数据并送给DAC7512，要用到C1（50MHz）和DA_SCLK（C1二分频，25MHz）两个时钟。

    DAC7512控制器一共有四个输入输出端口。CLK_IN为PLL的基准时钟，为25MHz。DA_DIN，DA_SCLK和DA_SYNC为三线串口，都为输出端口。

    由于C0，C1是由同一个PLL输出的，DA_SCLK是由C1经二分频得到的，三者之间是同步的，处于同一个clock group中。

    DAC7512模块的详细设计资料可参照本博客中 “FPGA设计中DAC7512控制的Verilog实现” 的文章。不过要注意一点的是，在串行总线上，DA_DIN是在DA_SCLK的下降沿有效的。把DA_DIN设计为C1时钟域的信号，并控制其值只在DA_SCLK为高电平的时候发生变化。这样可以把DA_DIN与DA_SCLK之间的时序要求转换为DA_DIN在C1时钟域的时序要求，细节我们会在下面介绍。