原创 时序约束系统学习

一直对时序约束没有什么明确的概念，故详细了解各方面资料，对时序约束有一个全面的从无到有的学习，记录如下笔记：

时序约束的概念和基本策略：
        时序约束主要包括周期约束（FFS到FFS，即触发器到触发器）和偏移约束（IPAD到FFS、FFS到OPAD）以及静态路径约束（STA, IPAD到OPAD）等3种。通过附加约束条件可以使综合布线工具调整映射和布局布线过程，使设计达到时序要求。例如用OFFSET_IN_BEFORE约束可以告诉综合布线工具输入信号在时钟之前什么时候准备好，综合布线工具就可以根据这个约束调整与IPAD相连的Logic Circuitry的综合实现过程，使结果满足FFS的建立时间要求。
        附加时序约束的一般策略是先附加全局约束，然后对快速和慢速例外路径附加专门约束。附加全局约束时，首先定义设计的所有时钟，对各时钟域内的同步元件进行分组，对分组附加周期约束，然后对FPGA/CPLD输入输出PAD附加偏移约束、对全组合逻辑的PAD TO PAD路径附加约束。附加专门约束时，首先约束分组之间的路径，然后约束快、慢速例外路径和多周期路径，以及其他特殊路径

约束的基本作用有3：
(1)提高设计的工作频率。通过  附加约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线，以减小逻辑和布线延时，从而提高工作频率。
(2)获得正确的时序分析报告
           几乎所有的FPGA设计平台都包含静态时序分析工具，利用这类工具可以获得映射或布局布线后的时序分析报告，从而对设计的性能做出评估。静态时序分析工具以约束作为判断时序是否满足设计要求的标准，因此要求设计者正确输入约束，以便静态时序分析(STA)工具输出正确的时序分析报告。
(3)指定FPGA/CPLD引脚位置与电气标准
         FPGA/CPLD的可编程特性使电路板设计加工和FPGA/CPLD设计可以同时进行，而不必等FPGA/CPLD引脚位置完全确定，从而节省了系统开发时间。这样，电路板加工完成后，设计者要根据电路板的走线对FPGA/CPLD加上引脚位置约束，使FPGA/CPLD与电路板正确连接。另外通过约束还可以指定IO引脚所支持的接口标准和其他电气特性。为了满足日新月异的通信发展，Xilinx新型FPGA/CPLD可以通过IO引脚约束设置支持诸如AGP、BLVDS、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LDT、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVDSEXT、LVTTL、PCI、PCIX、SSTL、ULVDS等丰富的IO接口标准。

另外通过区域约束还能在FPGA上规划各个模块的实现区域，通过物理布局布线约束，完成模块化设计等。

时序约束在Xilinx中用Setup to Clock（edge），Clock（edge） to hold等表示。在Altera里常用tsu (Input Setup Times)、th (Input Hold Times)、tco (Clock to Out Delays)来表示。很多其它时序工具直接用setup和hold表示。其实他们所要描述的是同一个问题，仅仅是时间节点的定义上略有不同。

常用时序约束的概念：

周期：如图1是周期示意图，当计算出Tperiod，那么当然fmax=1/Tperiod,fmax是显示设计最重要的性能指标之一。

时钟建立时间：时钟建立时间的计算方法 Tsu = datadelay - clkdelay + Microsetup

Clock Setup Time (tsu)，时钟建立时间
要想正确采样数据，就必须使数据和使能信号在有效时钟沿到达前就准备好，所谓时钟建立时间就是指时钟到达前，数据和使能已经准备好的最小时间间隔。如下图所示：

 tsu示意图

注：这里定义Setup时间是站在同步时序整个路径上的，需要区别的是另一个概念Micro tsu。

Micro tsu指的是一个触发器内部的建立时间，它是触发器的固有属性，一般典型值小于1~2ns。在Xilinx等的时序概念中，称Altera的Microtsu为setup时间，用Tsetup表示，请大家区分一下。
回到Altera的时序概念，Altera的tsu定义如下：
tsu = Data Delay – Clock Delay + Micro tsu

在FPGA设计工具中包含有4种路径：从输入端口到寄存器，从寄存器到寄存器，从寄存器到输出，从输入到输出的纯组合逻辑。通常，需要对这几种路径分别进行约束，以便使设计工具能够得到最优化的结果。下面对这几种路径分别进行讨论。

1. 从输入端口到寄存器：

这种路径的约束是为了让FPGA设计工具能够尽可能的优化从输入端口到第一级寄存器之间的路径延迟，使其能够保证系统时钟可靠的采到从外部芯片到FPGA的信号。

约束名称：input delay。

约束条件的影响主要有4个因素：外部芯片的Tco，电路板上信号延迟Tpd，FPGA的Tsu, 时钟延迟Tclk.  Tco的参数通常需要查外部芯片的数据手册。计算公式：input delay = Tco+Tpd+Tsu-Tclk。FPGA的Tsu也需要查FPGA芯片的手册。 FPGA速度等级不同，这个参数也不同。Tpd和Tclk需要根据电路板实际的参数来计算。通常，每10cm的线长可以按照1ns来计算。例如：系统时钟100MHz，电路板上最大延迟2ns，时钟最大延迟1.7ns，Tco 3ns，FPGA的Tsu为0.2ns。那么输入延迟的值：max Input delay = 2+3+0.2-1.7=3.5ns.  这个参数的含义是指让FPGA的设计工具把FPGA的输入端口到第一级寄存器之间的路径延迟（包括门延迟和线延迟）控制在10ns-3.5ns=6.5ns 以内。

2. 寄存器到寄存器：

这种路径的约束是为了让FPGA设计工具能够优化FPGA内寄存器到寄存器之间的路径，使其延迟时间必须小于时钟周期，这样才能确保信号被可靠的传递。 由于这种路径只存在于FPGA内部，通常通过设定时钟频率的方式就可以对其进行约束。对于更深入的优化方法，还可以采用对寄存器的输入和寄存器的输出加入适当的约束，来使逻辑综合器和布线器能够对某条路径进行特别的优化。还可以通过设定最大扇出数来迫使工具对其进行逻辑复制，减少扇出数量，提高性能。

3. 寄存器到输出：

这种路径的约束是为了让FPGA设计工具能够优化FPGA内部从最后一级寄存器到输出端口的路径，确保其输出的信号能够被下一级芯片正确的采到。

约束的名称： output delay。

约束条件的影响主要有3个因素：外部芯片的Tsu，电路板上信号延迟Tpd，时钟延迟Tclk。Tsu的参数通常需要查外部芯片的数据手册。计算公式：output delay = Tsu+Tpd-Tclk。例如：系统时钟100MHz，电路板上最大延迟2ns，时钟最大延迟 1.7ns，Tsu 1ns，输出延迟的值：max output delay = 1+2-1.7=1.3ns。这个参数的含义是指让FPGA的设计工具把最后一级寄存器到输出端口之间的路径延迟（包括门延迟和线延迟）控制在 10ns-1.3ns=8.7ns 以内。

4. 从输入端口到输出端口：

这种路径是指组合逻辑的延迟，指信号从输入到输出没有经过任何寄存器。给这种路径加约束条件，需要虚拟一个时钟，然后通过约束来指定哪些路径是要受该虚拟时钟的约束。在Synplifypro和Precision中都有相应的约束来处理这种路径。

参考博客：

            icmastership的博客 --  http://blog.sina.com.cn/icmastership

                   神一样驴子 ：http://www.cnblogs.com/god_like_donkey/archive/2010/01/11.html