FPGA高级课程之时序分析(TIMING ANALYSIS)
FPGA时序分析基础
FPGA时序分析基础首先，我们需要了解什么是时序。
时序是指在一个电路中各个信号的传输时间和时序关系。
对于FPGA设计来说，时序关系通常是由时钟信号驱动的。
时序分析就是通过分析这些时钟信号和数据信号之间的关系，来验证设计的正确性和可靠性。
在FPGA设计中，时序分析的一个重要步骤是确定电路中各个时钟域。
时钟域是指在一个电路中由同一个时钟信号驱动的一组逻辑电路。
不同的时钟域可能有不同的时钟频率和相位关系。
在时序分析中，需要确定时钟域之间的时序关系，以确保数据在不同时钟域之间的正确传输。
时序分析还包括对时序约束的分析和验证。
时序约束是用来指定设计中各个信号的传输时间和时序关系的一组规则。
时序约束包括时钟频率、时钟间隔、输入输出延迟等信息。
在时序分析中，需要验证设计是否满足这些时序约束的要求，并对不满足要求的部分进行优化和修复。
时序分析还包括对时钟信号的稳定性分析。
时钟信号的稳定性指的是时钟信号的上升沿和下降沿之间的时钟偏差。
时钟偏差可能导致数据的不稳定性和传输错误。
在时序分析中，需要对时钟信号的稳定性进行分析和优化，以确保数据的传输准确和可靠。
在时序分析中，还需要考虑到时钟信号的抖动和时钟漂移。
时钟抖动是指时钟信号在传输过程中的波动情况。
时钟漂移是指时钟信号在长时间使用过程中的频率和相位变化。
时序分析中需要对时钟抖动和时钟漂移进行评估和优化，以确保时钟信号的稳定性和可靠性。
总结起来，FPGA时序分析是在设计和验证FPGA电路时非常重要的一项技术。
它通过分析时序关系、时钟信号稳定性和时序约束，来验证设计的正确性和可靠性。
时序分析涉及到时钟域的划分和时序关系的分析，时序约束的验证和优化，以及时钟信号稳定性和时序抖动的分析和优化。
通过进行有效的时序分析，可以帮助设计者实现高效、可靠的FPGA电路设计。
静态时序分析原理解读及实例应用
静态时序分析原理解读及实例应用摘要：静态时序分析（Static Timing Analysis）是FPGA（现场可编程逻辑器件）分析电路时序的最坏情况，验证此时的电路性能是否满足用户的时序要求。
静态时序分析的目的是提高系统工作主频及增加系统的稳定性。
关键词：静态时序分析；FPGA；关键路径引言静态时序分析是基于电路的拓扑结构，计算逻辑单元延时和互联延时，提取出整个电路的所有时序路径，找出延时最大的关键路径，确定电路工作时所能达到的最大频率，并检查建立时间和保持时间余量，其目的是检查FPGA 芯片中设计电路的延时和速度等性能指标，分析电路时序的最坏情况，验证此时的电路性能是否满足用户的时序要求。
相比较于动态时序仿真具备更加高效和完备的特点。
目前比较流行的静态时序分析工具有Prime Time，TimeQuest Timing Analyzer、Vivado系列等工具。
1时序中的基本概念1.1时钟周期和最高频率时序路径分为输入端口到内部寄存器路径，内部寄存器到寄存器路径，内部寄存器到输出端口路径，FPGA内部时序分析的对象为“寄存器—寄存器”路径，时序逻辑设计都是基于时钟沿的。
在Quar tusⅡ下的时序分析器TimeQuest的时序报告中有启动沿和锁存沿的概念，它们是针对时钟而言的。
启动沿（launch edge）：前级寄存器发送数据时对应的时钟沿，是时序分析的起点。
锁存沿（latch edge）：后级寄存器捕获数据时对应的时钟沿，是时序分析的终点。
锁存沿一般默认与启动沿相差一个时钟周期。
时钟周期的概念是FPGA 中时序定义的基础，根据图1计算时钟最小周期。
图1时钟周期的计算时钟最小时钟周期计算式为：T clk= τco+ τdata_dalay+ τsu−τclk_skew（式1）其中τclkskew= τclk1−τclk2（式2）式1中，T clk是时钟的最小周期。
τco是寄存器固有的时钟到输出延迟，是寄存器的固有属性，指的是寄存器相应时钟沿有效，将数据送到输出端口的内部延时参数，典型值一般小于1ns。
时序分析教程范文
时序分析教程范文时序分析（Timing Analysis）是指对数字电路或系统进行时间性能评估和验证的过程。
它主要关注信号在电路中的传播延迟、时钟频率、时序关系等参数，帮助设计者确保电路或系统工作在正确的时序要求下。
时序分析在数字电路的设计和验证中具有重要的作用，特别是对于高速电路和复杂系统来说更为关键。
下面是一些常用的时序分析技术和方法：1.时钟分析：时钟是数字电路中最重要的信号之一，时钟的频率和时钟偏斜对电路的性能有着直接影响。
时钟分析主要关注时钟的频率、时钟偏斜、时钟分配和时钟网络等方面。
通过时钟分析可以评估时钟网络的性能，优化时钟分配方案，减少时钟偏斜等。
2.时序约束：时序约束是指在设计过程中对电路或系统的时序要求进行规定和约束的过程。
时序约束涉及到输入信号和时钟之间的关系，以及输出信号在一些时钟边沿之后的稳态时间等要求。
正确的时序约束有助于设计者确保电路或系统可以在正确的时序要求下运行。
3.时序分析工具：时序分析工具可以帮助设计者对电路或系统进行时序分析和验证。
常用的时序分析工具包括静态时序分析工具和动态时序分析工具。
静态时序分析工具主要通过对电路的逻辑和时钟分析，检查时序约束是否满足。
动态时序分析工具则通过模拟电路行为，计算信号的传播延迟和时序关系。
4.时序优化：时序优化是指通过改变电路结构和布局，减少路径延迟、降低时钟偏斜等手段，提高电路的时序性能。
常用的时序优化技术包括逻辑编码、时钟优化、布局布线优化等。
时序优化需要结合时序分析工具进行验证，确保优化后的电路满足时序要求。
时序分析对数字电路的正确性和性能具有重要的影响，它能帮助设计者在设计和验证过程中找到潜在的问题和改进方案。
因此，时序分析是数字电路设计和验证中必不可少的一部分。
通过学习和掌握时序分析的基本原理和方法，可以提高数字电路设计的质量和效率。
FPGA静态时序分析
FPGA静态时序分析在FPGA设计中，静态时序分析是一个非常重要的步骤，用于评估电路在不同工作条件下的时序要求是否能够满足。
本文将介绍FPGA静态时序分析的概念、步骤、工具以及常见的优化技术，以帮助读者更好地理解和应用静态时序分析。
1.概念静态时序分析是指在FPGA设计中，通过分析电路中各个时序元素（如时钟、延迟等）之间的关系，来确定电路是否能够满足设计要求的一种分析方法。
它能够预测电路在各种工作条件下的最快和最慢工作频率，从而保证电路能够正确运行。
2.步骤静态时序分析通常包括以下几个步骤：（1）设计综合：首先将设计描述（如Verilog或VHDL）综合成门级电路表示，得到与FPGA相关的逻辑网表。
（2）时钟约束设置：设置设计中的时钟频率和时钟边沿等约束条件。
时钟约束对于时序分析非常关键，它告诉工具如何处理时钟信号以及如何计算时钟间的延迟等。
（3）路径分析：对电路中的各个时序路径进行分析，包括从时钟到寄存器的路径（称为注册路径）和从寄存器到输出的路径（称为组合路径）。
路径分析主要用于确定时序路径上的关键路径和最长路径。
（4）时序缺陷检测：对设计中存在的潜在时序缺陷进行检测，例如时序冒险、信号捕获问题等。
时序缺陷可能导致电路不能按照设计要求正确工作，因此在分析过程中需要及时检测和解决这些问题。
（5）时序优化：根据静态时序分析的结果，对电路进行优化，以满足设计要求。
常见的优化技术包括添加额外的时钟约束、优化逻辑电路结构、调整时钟频率等。
3.工具在进行FPGA静态时序分析时，通常使用专门的时序分析工具，如Xilinx的TimeQuest和Altera的TimeQuest等。
这些工具能够自动识别设计中的时序路径和时序要求，并进行全面的时序分析和优化。
4.优化技术静态时序分析的结果可以指导电路的优化，以满足设计要求。
常见的优化技术包括：（1）添加额外的时钟约束：通过设置更严格的时钟约束，可以减小时钟间的延迟、提高时钟频率，并且可以帮助工具更准确地评估时序关系。
FPGA时序分析
FPGA时序分析FPGA (Field-Programmable Gate Array) 是一种可编程逻辑门阵列芯片，它通过配置在其内部的逻辑门和可编程连线实现不同的逻辑功能。
FPGA 在数字电路设计中广泛应用，其灵活性和可重构性使其成为快速原型设计和现场配置电路的理想选择。
然而，FPGA设计和时序分析是一个复杂的过程。
时序分析是验证设计电路的正确性以及保证其能够在时钟信号的驱动下按照预期的时间顺序工作的过程。
下面将重点介绍FPGA时序分析的基本原理和关键概念。
在FPGA设计中，时序分析主要关注以下几个方面：时钟，时钟延迟，组合逻辑路径和寄存器。
1.时钟：时钟信号在FPGA设计中起到重要作用，它用于同步各个电路模块的操作。
时钟的频率和占空比对电路实现的性能和功耗都有很大的影响。
2.时钟延迟：时钟信号在从原始源头传达到特定电路元件的过程中会有一定的延迟。
这个延迟可以由时钟发生器的性能以及时钟信号在FPGA中传输的路径和电路元件的特性决定。
3.组合逻辑路径：组合逻辑路径是指信号从输入到输出经过的一系列逻辑门的路径。
每个逻辑门都会引入一定的延迟，而组合逻辑路径的时序分析主要关注延迟和信号传播的时间约束。
4.寄存器：FPGA中的寄存器用于存储电路的中间结果或暂存数据，它们可以在时钟上升沿或下降沿触发。
寄存器的时序分析包括确定数据到达寄存器的时间以及寄存器中数据对输出的影响。
时序分析主要用于验证和优化FPGA电路设计。
通过分析时钟频率、时钟延迟和电路路径延迟，可以确定电路是否满足设计规范和时间约束。
时序分析还可以帮助设计人员优化电路以达到更好的性能，如降低时钟频率、优化组合逻辑路径、调整寄存器设置等。
在进行 FPGA 时序分析时，通常使用的工具是时序分析器。
时序分析器是一种软件工具，可以输入 FPGA 设计的网络描述、时钟频率、时钟源等信息，利用相关算法和模型计算出电路的时序性能。
常见的时序分析器包括 Xilinx 的 Vivado 和 Altera 的 Quartus。
FPGA时序优化方法
FPGA时序优化方法FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑设备，广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统开发。
在FPGA设计中，时序优化是提高电路性能和可靠性的重要步骤之一、时序优化旨在减少电路中的时序违例（timing violations），以确保电路能够按照预期的时序要求正常工作。
以下是几种常用的FPGA时序优化方法：1. 约束优化（Constraint Optimization）：约束是FPGA设计的重要部分，用于定义电路的时序约束和限制。
优化约束可以帮助FPGA工具准确地分析和优化电路时序。
在优化约束时，可以考虑以下几个方面：时钟约束、延迟约束、时序路径约束等。
2. 时钟优化（Clock Optimization）：时钟是FPGA设计中的关键因素之一、时钟优化可以帮助提高电路的最大工作频率。
时钟优化的一些常见方法包括时钟缓冲器的优化、时钟树的优化、时钟路径的缩短等。
此外，使用时钟插入技术（Clock Insertion）可以帮助减少时序违例。
4. 时序分析与检查（Timing Analysis and Verification）：时序分析是确保电路满足时序要求的关键步骤。
通过使用时序分析工具，可以检查电路中是否存在时序违例，并找出引起时序违例的原因。
时序分析的一些常见工具包括时序模拟器、时序分析器、时序约束检查工具等。
5. 管脚布局和时序拓扑规划（Pin Placement and Timing Topology Planning）：管脚布局和时序拓扑规划是FPGA设计中的关键步骤。
正确的管脚布局和时序拓扑规划可以减少时序路径长度、避免信号交叉干扰等问题。
在进行管脚布局和时序拓扑规划时，可以考虑时钟信号的分布、信号路径的长度等因素。
6. 空间优化（Space Optimization）：空间优化是指在有限的FPGA资源上实现尽可能多的功能。
通过合理的资源分配和优化，可以减少电路的面积并提高性能。
FPGA静态时序分析
D
Q
CLK Clock
时钟不确定性
输入时钟抖动是时钟不确定性的原因之一(Clock Uncertainty)
时钟偏斜（clock skew）
• 所有时序设计和分析都以时钟网络为参考。路径延迟分析 必须考虑时钟质量。 • 时钟偏斜是一个时钟信号沿着同一个时钟网络到达源触发 器和目标触发器的时间差。. • 所有时钟网络布线应该使用FPGA提供的专用时钟资源，否 则时钟偏斜会非常严重。 • 时钟偏斜分为负时钟偏斜和正时钟偏斜，主要对时钟周期 产生影响。时序分析器能够报告时钟偏斜问题。
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路径和分析类型
Async Path
PRE D Q
Data Path
PRE D Q
CLR
CLR
Clock Paths Async Path
Three types of Paths: 1. Clock Paths 2. Data Path 3. Asynchronous Paths* Two types of Analysis: 1. Synchronous – clock & data paths 2. Asynchronous* – clock & async paths
Data must be valid here REG2.CLK REG2.D Data Valid
Tclk2
Tsu
Data Required Time = Clock Arrival Time - Tsu
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数据要求时间- Hold
The minimum time required for the data to get latched into the destination re gister
FPGA时序约束、时序分析
FPGA设计之——时序设计FPGA设计一个很重要的设计是时序设计，而时序设计的实质就是满足每一个触发器的建立(Setup)/保持(Hold)时间的要求。
建立时间(Setup Time)：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；保持时间(Hold Time)：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。
FPGA设计分为异步电路设计和同步电路设计，然而很多异步电路设计都可以转化为同步电路设计，在设计时尽量采用同步电路进行设计。
对于同步电路可以转化的逻辑必须转化，不能转化的逻辑，应将异步的部分减到最小，而其前后级仍然应该采用同步设计。
为了让同步电路可靠地运行，就要对时钟偏差进行控制，以使时钟偏差减小到可用的范围。
影响时钟偏差的主要有以下几个因素：o用于连接时钟树的连线o钟树的拓扑结构o时钟的驱动o时钟线的负载o时钟的上升及下降时间在通常的FPGA设计中对时钟偏差的控制主要有以下几种方法：o控制时钟信号尽量走可编程器件的的全局时钟网络。
在可编程器件中一般都有专门的时钟驱动器及全局时钟网络，不同种类、型号的可编程器件，它们中的全局时钟网络数量不同，因此要根据不同的设计需要选择含有合适数量全局时钟网络的可编程器件。
一般来说，走全局时钟网络的时钟信号到各使用端的延时小，时钟偏差很小，基本可以忽略不计。
o若设计中时钟信号数量很多，无法让所有的信号都走全局时钟网络，那么可以通过在设计中加约束的方法，控制不能走全局时钟网络的时钟信号的时钟偏差。
o异步接口时序裕度要足够大。
局部同步电路之间接口都可以看成是异步接口，比较典型的是设计中的高低频电路接口、I/O接口，那么接口电路中后一级触发器的建立-保持时间要满足要求，时序裕度要足够大。
o在系统时钟大于30MHz时，设计难度有所加大，建议采用流水线等设计方法。
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正确的结果
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不正确的结果（组合逻辑延时太大）
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需要满足的式子，考虑时钟延时
建立时间： Tco+Tdelay+Tsetup <T+Tpd； 保持时间： Tco+Tdelay>Tpd+Th
能够得到什么结论？ 如何使得不等式满足？
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• 添加区域约束后，经过约束后的逻辑区域逻辑相对集中，减 少线延迟，最大时钟频率得到略微提升。
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• 学习时序分析： 1. 软件工具更新迅速，唯理论基础是根本。 2.需要有不断探索的精神，阅读官方英文手 册学习最新的工具以及工具的生僻用法。 3.在工程实践中学习，按照实际需求来使用 工具，重在思考。
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• Xilinx的时序分析 （约束）工具，方 法
• Altera的 TimeQuest及静 态时序分析工具
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本次课程的目的：
• 学习基本时序理论知识，掌握分析思想， 建立基本的时序分析概念，。 • 学习掌握基本的TimeQuest操作以时序 分析、约束流程。 • 学会查看时序结果，时序报告。 • 为其他时序工具使用打造学习基础。
注意和理论部 分的小差别
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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• 使用自己设计的任意一个工程文件（如 CPU），在Quartus下部进行约束，练 习用timequest查看时序报告； • 练习在TimeQuest 中队设计添加完整的 时序约束，将约束写入项目中，重新分 析时序；
• 尝试使用高速全局时钟和苛刻的约束， 使得时序分析产生违例，定位违例，理 解时序分析波形图 至芯科技FPGA培训
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建立时间是 指触发器的 时钟信号上 升沿到来以 前，数据稳 定不变的时 间。
建立时间和保持时间
保持时间是 指触发器的 时钟信号上 升沿到来以 后，数据稳 定不变的时 间。
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恢复时间和移除时间（异步信号）
clk_a clk_b
clk_a
clk_b
工具自动， 不着重理解
2011-9
至芯科技 郭佩
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D触发器
理解：书上提到“不同的抽象级 别”里面的RTL级
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正确可靠的结果；成本因素；更深入理解FPGA 及ASIC 这一块是很多FPGA工程师的短板，却是做ASIC 必须的技能。 需要探索精神，需要与时俱进 高校毕业的硕士，博士，在做研究的时候不注重 降低器件成本，对此完全无视。他们往往通过 使用更好的器件跳过这一步；偶发的问题也没 有得到重视 至芯科技FPGA培训
声明： 本课件及内附word教程为郭佩制作，供至芯科技教学及学员交流使用，未经授 权，不得随意转载至网络上。 由于作者水平及经验有限，难免存在错漏之处，敬请交流指正。 至芯科技FPGA培训 guopei2005@ 23
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分析的路径
•寄存器到寄存器 •寄存器到输出（外部寄存器） •输入（外部寄存器）到寄存器
•建立时间 •保持时间 •恢复时间 •移除时间
分析的目标
对每种路径都进行四种分析（如 果存在的话），目的是分析设计 中不论何处存在的所有寄存器
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FPGA内部结构
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• 以上学习，需要做到： 1. 理解后仿真，时序分析，验证等的关系。 2.记住典型的几个延时数量级，器件内寄存 器间数据传输的最高速度。 3.区别不断更新的时序工具与传统时序理论 的差别。
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pdf教程
时钟，输入输出，管脚，区域约束等
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创建工程及添加 工程文件
使用TimeQuest分析设计时 序的一般步骤
执行编译
时序预估计及时 序约束
为什么执 行2次编 译？
执行编译
分析时序结果
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连接到 pdf
Timequest 快速入门训练-以quartus自带 FIR为例
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当寄存器使用系统时钟时，Tpd=0.
建立时间： Tco+Tdelay+Tsetup <T； 保持时间： Tco+Tdelay>Th 能够得到什么结论？
如何使得不等式满足？
1.最快时钟频率的决定； 2.关键路径的优化； 3.时序分析时的延时不叠加性。
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输入FPGA信号
需要告知工具输入IO 及时钟IO的时序关系， 才能分析