FPGA中的时序分析和设计
fpga提高时钟的方法
fpga提高时钟的方法
在FPGA设计中，提高时钟频率的方法有很多，以下是一些常见的方法：
1. 优化时钟网络：在FPGA设计中，时钟网络是影响时钟频率的主要因素之一。
优化时钟网络可以减小时钟源的抖动和时钟网络的延迟，从而提高时钟频率。
常用的优化方法包括使用低抖动的时钟源、减少时钟网络的分支和长度、使用时钟缓冲和时钟恢复等。
2. 流水线设计：流水线设计是一种将操作划分为多个阶段，每个阶段都以一定的时钟周期完成，从而使得整个操作可以在更高的时钟频率下完成。
通过合理地划分阶段和优化每个阶段的电路，可以减小每个阶段的延迟，从而提高整个流水线的效率。
3. 时序约束和时序分析：在FPGA设计中，时序约束和时序分析是保证设计在给定时钟频率下正确运行的关键。
通过合理的时序约束和时序分析，可以确定每个逻辑单元的时序参数，从而使得设计能够在更高的时钟频率下稳定运行。
4. 使用高速电路和高速连接器：在FPGA设计中，高速电路和高速连接器可以减小信号的传输延迟和抖动，从而提高时钟频率。
常用的高速电路包括差分信号和低阻抗信号等，高速连接器包括高速PCB连接器和高速电缆连接器等。
5. 动态电压和频率调节：动态电压和频率调节是一种根据工作负载的变化自动调整FPGA的电压和时钟频率的方法。
通过动态电压和频率调节，可以在保证FPGA稳定运行的同时减小功耗和提高时钟频率。
总之，提高FPGA的时钟频率需要综合考虑多种因素和方法，包括优化时钟网络、流水线设计、时序约束和时序分析、使用高速电路和连接器以及动态电压和频率调节等。
fpga 设计步骤
fpga 设计步骤
FPGA（可编程逻辑门阵列）设计步骤包括以下几个主要阶段：
1. 确定需求：明确需要实现的功能和性能要求。
2. 设计规划：选择适合的FPGA平台、开发工具和开发语言。
3. 编写RTL（Register Transfer Level）代码：使用HDL（硬件描述语言）如VHDL或Verilog编写设计代码。
4. 仿真验证：使用仿真工具模拟设计的功能和性能，通过验证测试向设计中添加调整和修正。
5. 进行综合（Synthesis）：将RTL代码转化为门级电路表示。
6. 进行布局布线（Place and Route）：根据FPGA架构的要求
将设计映射到FPGA中。
7. 生成位流文件（Bitstream）：将布局布线后的设计编译为可配置FPGA的位流文件。
8. 下载位流文件：将位流文件下载到目标FPGA设备。
9. 进行时序分析：对设计进行时序分析并验证。
如果不符合时序要求，可能需要进行时序优化。
10. 硬件验证：将设计加载到FPGA并进行功能和性能测试。
11. 调试和优化：在实际测试中发现问题，并对设计进行调试和优化。
12. 文档编写：根据项目要求编写设计文档，包括设计细节、测试方法和结果等。
需要注意的是，以上步骤可以根据具体的项目和需求进行调整和扩展。
此外，熟悉FPGA架构和相关开发工具以及编程语言是进行FPGA设计的基本要求。
FPGA在时序逻辑电路设计中的应用
数字逻辑电路。它是一种标准化 、通用的数 字电路器
件 ， 集 门 电 路 、触 发 器 、 多路 选 择 开 关 、三 态 门等 器
件和 电路连线于一身。Ｐ Ｄ Ｌ 在制造工艺上，采用Ｔ Ｌ Ｔ、
Ｃ ０ 、Ｅ Ｌ Ｍ Ｓ Ｃ 、静 态 Ｒ Ｍ 技 术 ， 器 件 类 型 有 Ｐ ０ 、 Ａ等 Ｒ Ｍ Ｐ Ａ Ａ 、Ｇ Ｌ Ｐ Ｄ Ｐ Ｄ Ｐ Ａ 多种 。作 为 一 Ｌ 、Ｐ Ｌ Ａ 、Ｅ Ｌ 、Ｃ Ｌ 、Ｆ Ｇ 等 种 理 想 的设 计 工 具 ，Ｐ Ｏ 有 通 用 标 准 器 件 和 半 定 制 Ｌ具 电路 的 许 多优 点 ，给 数 字 系 统 设 计 者 带 来 很 多方 便 。 特 别 在 时序 逻 辑 电路 中 获 得 了成 功 应 用 ， 面 以交 通 下 信 号灯 控 制 系统 设 计 为例 介 绍 具体 的应用 过 程 。
行调试，最 后完成整个系统 的硬件设计 。这种 自下而
Hale Waihona Puke 而大大缩短系统设计周期，降低费用 。
收 稿 日期 ： ２０ — ９ １ ０９０—７
（） ３ 降低 了硬 件 电路 设计 难 度
作者简介 ：许艳，硕士 ，讲 师 。汪木兰 ，硕士，教授 。朱
昊 ，硕 士 ， 讲 师 。饶 华 球 ，硕 士 ，教 授 。 牛 文 系 江 苏 省 教 育 科 学 “ 一 五 ”规 划 重 点 资 助 课 题 本 十 （— ／ ０ ８ ｏ ／ ０ ） 宿 迁 学 院 科研 重 点基 资 助项 目 Ｂ ａ ２０ ／ １０８ ：
描述语言Ｖ ｒ ｌ ｇ Ｈ Ｌ ｅ ｉｏ Ｄ 作为输入 ，给 出了核心部分的主要程序代码 。最后进行 了时序波形的仿真，并对 相关波形 中出现的毛
刺 现 象 进 行 了 相 应分 析 。
FPGA设计中的约束时序
FPGA设计中的约束文件有3类：用户设计文件（.UCF文件）、网表约束文件（.NCF 文件）以及物理约束文件（.PCF文件），可以完成时序约束、管脚约束以及区域约束。
3类约束文件的关系为：用户在设计输入阶段编写UCF文件，然后UCF文件和设计综合后生成NCF文件，最后再经过实现后生成PCF 文件。
UCF文件是ASC 2码文件，描述了逻辑设计的约束，可以用文本编辑器和Xilinx约束文件编辑器进行编辑。
NCF约束文件的语法和UCF文件相同，二者的区别在于：UCF文件由用户输入，NCF文件由综合工具自动生成，当二者发生冲突时，以UCF文件为准，这是因为UCF的优先级最高。
PCF文件可以分为两个部分：一部分是映射产生的物理约束，另一部分是用户输入的约束，同样用户约束输入的优先级最高。
一般情况下，用户约束都应在UCF文件中完成，不建议直接修改NCF文件和PCF文件。
约束文件的后缀是.ucf，所以一般也被称为UCF文件。
创建约束文件有两种方法，一种是通过新建方式，另一种则是利用过程管理器来完成。
第一种方法：新建一个源文件，在代码类型中选取“Implementation Constrains File”，在“Fi le Name”中输入约束文件的名称。
单击“Next”按键进入模块选择对话框，选择要约束的模块，然后单击“Next”进入下一页，再单击“Finish”按键完成约束文件的创建。
第二种方法：在工程管理区中，将“Source for”设置为“Synthesis/Implementation”。
“Constrains Editor”是一个专用的约束文件编辑器，双击过程管理区中“User Constrains”下的“Create Timing Constrains”就可以打开“Constrains Editor”。
需要注意的是，UCF文件是大小敏感的，端口名称必须和源代码中的名字一致，且端口名字不能和关键字一样。
FPGA中IO时序约束分析
第1章FPGA中IO口时序分析作者：屋檐下的龙卷风博客地址：/linjie-swust/日期：2012.3.11.1 概述在高速系统中FPGA时序约束不止包括内部时钟约束，还应包括完整的IO时序约束和时序例外约束才能实现PCB板级的时序收敛。
因此，FPGA时序约束中IO口时序约束也是一个重点。
只有约束正确才能在高速情况下保证FPGA和外部器件通信正确。
1.2 FPGA整体概念由于IO口时序约束分析是针对于电路板整个系统进行时序分析，所以FPGA需要作为一个整体分析，其中包括FPGA的建立时间、保持时间以及传输延时。
传统的建立时间、保持时间以及传输延时都是针对寄存器形式的分析。
但是针对整个系统FPGA的建立时间保持时间可以简化。
图1.1 FPGA整体时序图如图1.1所示，为分解的FPGA内部寄存器的性能参数：（1） Tdin为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器输入端的延时；（2） Tclk为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器时钟端的延时；（3） Tus/Th为FPGA内部寄存器的建立时间和保持时间；（4） Tco为FPGA内部寄存器传输时间；（5） Tout为从FPGA寄存器输出到IO口输出的延时；对于整个FPGA系统分析，可以重新定义这些参数：FPGA建立时间可以定义为：（1） FPGA建立时间：FTsu = Tdin + Tsu – Tclk；（2） FPGA保持时间：FTh = Th + Tclk；（3） FPGA数据传输时间：FTco = Tclk + Tco + Tout；由上分析当FPGA成为一个系统后即可进行IO时序分析了。
FPGA模型变为如图1.2所示。
图1.2 FPGA系统参数1.3 输入最大最小延时外部器件发送数据到FPGA系统模型如图1.3所示。
对FPGA的IO口进行输入最大最小延时约束是为了让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。
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时序分析时序约束知识
FPGA时序分析时序约束知识一、FPGA时序分析的基本概念1.时序分析的定义时序分析是指通过计算和模拟来评估数字电路在不同条件下的时序要求是否能够满足。
它主要包括时钟周期、时钟偏移、时钟抖动、信号传输延迟等方面的考虑。
2.时序要求时序要求是指数字电路在设计中必须满足的时序条件。
常见的时序要求包括时钟频率、最小信号保持时间、最小信号恢复时间等。
3.时序路径时序路径是指数字电路中信号从输入到输出所经过的所有逻辑门和寄存器。
4.时序违规时序违规是指数字电路在设计中无法满足时序要求的情况。
时序违规可能导致电路功能失效，甚至硬件故障。
二、FPGA时序分析的关键步骤1.时序约束的设置时序约束是在FPGA设计中非常重要的一部分，它用于定义时钟频率、时钟边沿以及其他关键参数。
时序约束通常以SDC（Synopsys Design Constraints）的格式提供。
时序约束的设置需要综合考虑到电路的功能需求、时钟分频、时钟域划分以及时钟边沿和信号的传输延迟等各种因素。
时序约束应该准确地描述信号的起始时间、到达时间和关系，以确保设计满足时序要求。
2.时序路径分析时序路径分析是指通过分析不同信号路径的延迟和时间关系来评估设计是否满足时序要求。
时序路径分析可以通过静态分析和动态仿真两种方式进行。
静态分析主要是利用逻辑综合工具对电路的时序路径进行分析和计算。
动态仿真则是通过对电路进行时钟驱动的行为级仿真来评估时序路径。
两种方法都可以获得电路的路径延迟和时间关系，以判断设计是否满足时序要求。
3.时序修复当时序分析发现设计存在时序违规时，需要进行时序修复来解决问题。
时序修复主要包括时钟域划分、时钟频率调整、逻辑重构等方法。
时钟域划分是指将设计划分为不同的时钟域，确保时钟边沿的一致性。
时钟频率调整是通过逻辑优化和时序约束调整来改善设计的时序性能。
逻辑重构则是通过改变电路的结构和时序路径，以使设计满足时序要求。
三、时序约束的知识1.时钟频率设置时钟频率设置是指设置时钟的工作频率，以控制电路的运行速度和性能。
FPGA_时序约束和分析
FPGA_时序约束和分析FPGA时序约束和分析是指在FPGA设计中，对时序关键路径进行约束以满足设计要求，并通过时序分析验证设计的时序正确性。
时序关键路径是指在时钟周期内所经过的最长的路径，也是影响设计稳定性和工作频率的最重要因素。
时序约束的目的是为了确保设计在给定的时钟频率下能够正常工作。
通过对设计中的时序关键路径进行约束，可以指导综合和布局布线工具生成满足时序要求的设计。
常见的时序约束包括时钟频率、时钟信号和数据信号的时钟偏移、时钟与数据的延迟等。
在进行时序分析之前，需要进行综合和布局布线操作。
综合是将RTL （Register Transfer Level）级别的设计代码转换为门级电路实现的过程，其中包括对代码进行语法检查、逻辑优化和功能映射等操作。
布局布线是指将综合结果进行物理实现的过程，其中包括对门电路进行布局和连线的操作。
时序分析是指通过对设计进行时钟域划分和时序路径的分析，来验证设计是否满足时序要求。
时钟域划分是将设计中的电路元件（即时钟域）划分为不同的时钟域，并通过域间缓存或时钟同步电路解决时钟跨域问题。
时序路径分析是指对设计中的时序关键路径进行定位和分析，包括时钟路径、数据路径和控制路径等。
在进行时序分析时，通常会使用静态时序分析工具对设计进行检查。
静态时序分析工具可以对设计进行计时模拟和约束检查，验证设计是否能够满足时序要求。
常见的静态时序分析工具有Synopsys PrimeTime、Cadence Encounter Timing System等。
1.时钟频率：时钟频率是指设计中所使用的时钟信号的速度。
时钟频率越高，设计的工作速度越快。
时钟频率的选择应该根据设计需求和硬件资源进行权衡，并通过时序分析验证是否能够满足设计要求。
2.时钟偏移：时钟偏移是指时钟信号和数据信号之间的时间差。
时钟偏移应该保持在一定范围内，以确保数据在时钟边沿稳定传输。
时钟偏移的约束可以通过对时钟和数据路径设置合适的延迟来实现。
第七讲 FPGA器件的仿真验证、设计约束、时序分析与状态机设计技巧
要 求不 同，一般 ，测
・
试平 台程序可 以采
用 任 何 符 合 语 法 规
生成 螭 稷 文件
则 的语 句：在行为级 仿真 时，主要验证系
在碰件 Ｉ 避 验证和测试
ｈ ｌ ｔ ｅ的路径，以及不符合约束的 ｏ ｍ ｄｉ
路 径 的 过 程 即为 Ｓ Ａ Ｔ 。细 致 全 面 的
的关键 ，设计 的大部分 时间均被用 于 仿真 。通常 ，硬件 系统 的仿真 分为 两
台，实现 自动对被测 试单元输 入信号 片， 完成最终的硬件验证和测试 。
种， 即功能仿真和时序仿真， 或称为前
仿真和 后仿真 。
的矢量测试， 通过波形输出、 文件记录
输 出，或 与测试平 台中的设 定的输 出 矢量 比较 ， 证仿真结果 。 验
Ｆ Ｇ 验证 Ｐ Ａ
Ｆ Ｇ 验证 是证 明一 个设计能 否 ＰＡ
Ｆ Ｇ ／Ｐ Ｄ 常 用 的仿真 软 件 包 Ｐ ＡＣ Ｌ
括 Ｍｅ ｔｒ 司的 Ｍｏ ｅｓ Ａｄ ｃ公 ｎｏ 公 ｄ ｌｍ、 ｌ ｉ ｅ 司的 Ａ ｔ ｅ— Ｈ Ｌ ａ ｅ ｃ ｃｉ ｖ Ｄ 、Ｃ ｄ ｎ ｅ公司的
ＮＣ — Ｖ ｒｏ ｅ ｉ ｇ和 ＮＣ ～ ＶＨＤＬ Ｓｙ ｏ ｓ ｌ 、 ｎ ｐｙ
对 Ｔ ｓｂ ｎ ｈ的设计 ｅ ｔｅ ｃ
枷局 粕线
Ｓｇ ａ ａ 及功耗分析 工具 等。 ｉ ｌ ｐｌ ｎＴ ｌ
时序验证 静态时序分析（ｔｔ ｍｎ ｎｌ Ｓ ｉ１ ｉ Ａ ａ － ａｃ １ ｇ ｙ ｓ ） Ｐ Ａ设计过程中的重要步骤。 ｉ 是Ｆ Ｇ ｓ 在 ＦＧ Ｐ Ａ加约束、 综合、 布局布线后， 将生 成时序分析报告，通过对时序报告进
Xilinx FPGA上电时序分析与设计
电讯技术
Ｔｅｅ ｏ ｌｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎｃ ｔ ｇｎ ｅ ｇ ｏ ｉ
Ｖ０ ． ２ Ｎｏ ４ １５ ．
Ａｐ ．２ ２ ｒ ０１
文章 编 号 ：０ １ ９ Ｘ（０２ ０ —０ ９ —０ １０ —８ ３ ２ １ ） ４ ５１ ４
中图分 类号 ：Ｎ ０ Ｔ ７２ 文献 标 志码 ： Ａ ｄｉ１ ．９９ ｊｉ ｎ １０ —８ ３ ．０ ２ ０ ．３ ｏ：０ ３６ ／ ． ｓ ．０ １ ９ ｘ ２ １ ． ０ ４ ｓ ４
Ｐｏ ｒ— ｎ Ｔｉ ｉ ｇ Ａｎ ｌ ｓｓａ ｓｇ ｆＸｉ ｎ ｗｅ —ｏ ｍ ｎ ａｙ ｉ ｎｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｌ ｘ ＦＰＧＡ ｉ Ｊ ｉ ／Ｂ ｎ
作 ， 重 时会导 致整 个 系统 的失 效 。因此 ，Ｆ Ｇ 严 Ｐ Ａ的
１ 引 言
随着 半 导 体 和 芯 片 技 术 的 飞 速 发 展 ， 在 的 现 ＦＧ Ｐ Ａ集 成 了越来 越 多 的可配 置逻 辑资 源 、 种各 样 各 的外部 总 线接 口以及 丰富 的 内部 Ｒ Ｍ 资 源 ， 其 在 Ａ 使
用 。但是Байду номын сангаасＦＧ 大 多 数 是 基 于 Ｓ Ａ 工 艺 的 ， 有 ＰＡ ＲＭ 具 易失 性 ， 此 ＦＧ 通 常使 用 外 部 存储 器 件 （ 因 ＰＡ 如
ＰＯ ） Ｒ Ｍ 存储必需 的配置信息 ， 防止设备掉电后 Ｆ Ｇ ＰＡ
丢 失 自我 配置 能力 。但 ＦＧ Ｐ Ａ配 置 在一 定 的条 件 和 时 间下 才 能成功 完成 ， 随着 ＦＧ Ｐ Ａ容 量 的不 断 攀 升 ，
因此fpgaxilinxfpga的配置方式和特点xilinxfpga支持多种配置方式其中包括串行主模式masterserial串行从模式slaveserial并行主模式masterselectmap并行8位从模式slaveselectmap8并行32位从模式slaveselectmap32以及边界扫描模式jtagvirtex5器件后还增加了对spi和bpi接口flash的支持现在设计中通常用到的是串行主模式和并行主模式两种配置方式它们共同的特点是电路硬件设计时不需再接入一个配置时钟配置时由fpga身提供时钟这样减小了pcb设计难度以及时钟带电讯技术telecommunicationengineeringvol52noapr201216来的时序干扰
《FPGA系统设计》实验报告》时序逻辑电路的设计
《FPGA系统设计》实验报告》时序逻辑电路的设计
一、设计任务
分别设计并实现锁存器、触发器的VHDL模型。
二、设计过程
1、同步锁存器：
同步锁存器是指复位和加载功能全部与时钟同步，复位端的优先级较高。
下图为同步锁存器的VHDL程序及模型：
2、异步锁存器：
异步锁存器，是指复位与时钟不同步的锁存器。
下图为同步锁存器的VHDL程序及模型：
3、D触发器：
D触发器是最常用的触发器。
下图为简单D触发器的VHDL 模型：
4、T触发器：
T触发器的特点是在时钟沿处输出信号发生翻转。
按
照有无复位、置位信号以及使能信号等，T触发器也有多种类型。
下图为带异步复位T触发器的VHDL模型：
5、JK触发器：
JK触发器中，J、K信号分别扮演置位、复位信号的角色。
为了更清晰的表示出JK触发器的工作过程，以下给出JK触发器的真值表（如表1所示）。
表1 JK触发器真值表
按照有无复位、置位信号，常见的JK触发器也有多种类型，下图带异步复位（clr）、置位（prn）的JK触发器的VHDL模型：
三．总结
本次实验中较为顺利，在第一次课的时间内我就已经完成了必做实验与选作实验。
在实验的过程中，在防抖电路处有了较大的困难。
由于仿真中不存在此问题，在实际操作中参数选择时遇到了一定的困难。
在反复比对效果之后，我
确定了电路的参数，实现了防抖功能。
通过这次实验，我对时钟脉冲、计数器等有了更加深入的认识与理解。
fpga面试题目及答案(3篇)
第1篇1. FPGA是什么？FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，它可以根据用户的需求进行编程，实现各种数字电路功能。
FPGA具有高灵活性、高集成度、低功耗等优点，广泛应用于通信、工业控制、消费电子等领域。
答案：FPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据用户需求进行编程，实现各种数字电路功能。
2. VHDL和Verilog的区别是什么？VHDL和Verilog都是硬件描述语言，用于描述数字电路和系统。
两者在语法和功能上存在一些差异：- VHDL是一种强类型语言，具有丰富的数据类型和操作符，易于编写复杂的数字电路描述。
- Verilog是一种弱类型语言，数据类型较为简单，但具有简洁的语法，便于快速编写代码。
答案：VHDL和Verilog的区别在于数据类型和语法，VHDL是强类型语言，Verilog 是弱类型语言。
3. 什么是FPGA的时钟域交叉问题？FPGA的时钟域交叉问题是指当多个时钟域的信号进行交互时，可能会出现信号竞争、数据丢失等现象，导致系统性能下降或功能失效。
答案：FPGA的时钟域交叉问题是指当多个时钟域的信号进行交互时，可能会出现信号竞争、数据丢失等现象。
4. 如何处理FPGA的时序问题？处理FPGA的时序问题主要包括以下几个方面：- 设计合理的时钟树，确保时钟信号在各个模块之间稳定传播。
- 合理设置时钟分频、倍频等参数，避免时钟抖动。
- 优化模块设计，减少信号路径长度，降低信号传播延迟。
- 进行时序仿真，确保满足设计要求。
答案：处理FPGA的时序问题主要包括设计合理的时钟树、设置时钟参数、优化模块设计和进行时序仿真。
5. FPGA的配置过程是怎样的？FPGA的配置过程主要包括以下几个步骤：- 编写配置文件：使用VHDL或Verilog等硬件描述语言编写配置文件，描述FPGA 内部电路的结构和功能。
- 编译配置文件：使用FPGA厂商提供的编译工具对配置文件进行编译，生成门级网表。
FPGA时序约束与分析
这本书详细讨论了FPGA时序约束的各个方面，包括建立时间、保持时间、时 序分析等。通过理论知识和实际案例的结合，作者们成功地阐述了时序约束在 FPGA设计中的重要性。对于我这样的初学者来说，这本书提供了一种很好的方式 来理解这些复杂的概念。
在阅读过程中，我不禁为书中所展现的深入见解和详尽的解析所折服。与其 他技术书籍不同，这本书避免了复杂的数学推导和抽象的概念，而是以清晰、简 洁的方式解释了时序约束与分析的基本原理。书中还提供了大量的实用技巧和建 议，对于实际应用有很大的帮助。
这本书的目录按照内容的逻辑顺序进行组织。从第一章到第十二章，每一个 章节都围绕着FPGA时序约束与设计的核心主题展开。第一章到第三章介绍了FPGA 的基本概念和设计流程，为读者提供了背景知识和基础理论。第四章到第七章详 细阐述了FPGA的硬件描述语言（HDL）和设计工具，为读者提供了实用的编程技 能。
FPGA时序约束与分析
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
时序
约束
分析
fpga
方法
介绍
技术
分析
约束
时序 设计
一章
fpga
包括
一些
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详细
优化
实例
内容摘要
内容摘要
《FPGA时序约束与分析》是一本关于FPGA（现场可编程门阵列）时序约束与设计的专业书籍。 以下是本书的内容摘要： 这一章首先介绍了FPGA的基本概念和结构，包括其可编程特性、硬件设计和并行处理的优势。然 后，重点讲解了FPGA时序约束的概念，包括时钟信号、时序关系、时序约束的定义和重要性。 这一章详细介绍了FPGA时序分析的原理和方法。首先讲解了时序分析的基本概念，包括时钟周期、 建立时间和保持时间等。接着，详细阐述了时序分析的原理，包括路径分析和偏差计算等。还介 绍了一些常用的时序分析工具和应用案例。 这一章主要介绍了FPGA时序约束的方法和技巧。讲解了物理约束和逻辑约束的概念和区别。然后， 详细介绍了物理约束的设定方法，包括时钟网络的分布、缓冲区的设置和输入/输出延迟等。还 介绍了逻辑约束的设定方法，包括路径约束、偏斜约束和时序预算等。
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。
FPGA的IO口时序约束分析
1.1 概述在高速系统中FPGA时序约束不止包括内部时钟约束，还应包括完整的IO时序约束和时序例外约束才能实现PCB板级的时序收敛。
因此，FPGA时序约束中IO 口时序约束也是一个重点。
只有约束正确才能在高速情况下保证FPGA和外部器件通信正确。
1.2 FPGA整体概念由于IO口时序约束分析是针对于电路板整个系统进行时序分析，所以FPGA需要作为一个整体分析，其中包括FPGA的建立时间、保持时间以及传输延时。
传统的建立时间、保持时间以及传输延时都是针对寄存器形式的分析。
但是针对整个系统FPGA的建立时间保持时间可以简化。
图1.1 FPGA整体时序图如图1.1所示，为分解的FPGA内部寄存器的性能参数：（1）Tdin为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器输入端的延时；（2）Tclk为从FPGA的IO口到FPGA内部寄存器时钟端的延时；（3）Tus/Th为FPGA内部寄存器的建立时间和保持时间；（4）Tco为FPGA内部寄存器传输时间；（5）Tout为从FPGA寄存器输出到IO口输出的延时；对于整个FPGA系统分析，可以重新定义这些参数：FPGA建立时间可以定义为：（1）FPGA建立时间：FTsu = Tdin + Tsu – Tclk；（2）FPGA保持时间：FTh = Th + Tclk；（3）FPGA数据传输时间：FTco = Tclk + Tco + Tout；由上分析当FPGA成为一个系统后即可进行IO时序分析了。
FPGA模型变为如图1.2所示。
图1.2 FPGA系统参数1.3 输入最大最小延时外部器件发送数据到FPGA系统模型如图1.3所示。
对FPGA的IO口进行输入最大最小延时约束是为了让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。
图1.3 FPGA数据输入模型输入延时即为从外部器件发出数据到FPGA输入端口的延时时间。
FPGA时序分析
FPGA时序分析FPGA时序分析是一项重要的任务，用于评估数字设计在FPGA芯片上的运行时序性能。
它涉及到对设计的时序约束进行正确建模，并通过对设计各个部分的时序延迟进行分析，以确保设计在时序性能上的可靠性。
以下是一份详细且全面的FPGA时序分析的概述，包括其基本原理、方法、工具和应用。
一、FPGA时序分析的基本原理：时序分析是指对设计中的各个时钟域的时序要求进行研究和分析，主要包括时钟信号的频率、时钟边沿的稳定性、时序路径的延时和综合器和布线器的时钟偏移等。
FPGA时序分析基于电路理论和时序约束规范化语言，通过以时钟为基准的时序图、时序约束和时序分析工具，对设计中的各个时序要求进行建模、验证和优化。
二、FPGA时序分析的方法：1.时钟域划分：将设计中的各个时钟域进行划分，每个时钟域由一个时钟信号及其相关的所有时序逻辑组成。
时钟域划分对于正确的时序分析至关重要，因为不同时钟域之间的时序关系复杂，需要通过正确的时钟域划分来简化时序分析。
2.时序约束编写：根据设计的功能和性能要求，编写针对不同时钟域的时序约束。
时序约束主要包括时钟频率、时钟边沿的稳定性、时序路径的延时约束等。
3. 时序分析工具：使用时序分析工具对设计进行时序分析。
常用的时序分析工具有PrimeTime、Quartus Prime等。
时序分析工具能够分析设计中的时序路径，找出潜在的时序违规问题，并生成时序报告。
4.时序优化：根据时序分析报告，对设计进行时序优化。
时序优化的目标是降低时序延迟，提高设计的性能。
三、FPGA时序分析的工具：1. PrimeTime：PrimeTime是Cadence公司开发的一款时序分析工具，广泛应用于FPGA时序分析和静态时序验证。
它能够对多时钟域的设计进行时序分析和时序优化，并提供准确的时序报告和时序分析结果。
2. Quartus Prime：Quartus Prime是Intel公司的FPGA设计软件套件，其中包含了Quartus Prime时序分析工具。
FPGA设计技巧与案例开发详解
FPGA设计技巧与案例开发详解FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它具有广泛的应用领域，包括数字信号处理、图像处理、网络通信等。
为了充分发挥FPGA的潜力，设计师需要掌握一些技巧和案例开发经验。
以下是对FPGA设计技巧与案例开发的详细解释。
1.划分模块和时序在FPGA设计中，划分模块和时序非常重要。
模块化设计可以提高系统的可维护性和复杂性管理，同时也使得不同的模块可以并行开发。
时序是指操作在FPGA中执行的时间顺序，如果时序不正确，可能会导致系统功能错误或性能下降。
设计师应该考虑到模块之间的接口和时序要求，并进行正确的划分和管理。
2.选择合适的算法和数据结构FPGA设计中的算法和数据结构选择也非常重要。
设计师应该根据具体的应用和需求选择合适的算法和数据结构，以实现高效的计算和存储。
例如，对于图像处理应用，使用合适的算法和数据结构可以减少计算和存储资源的使用，提高系统性能。
3.优化性能和资源使用优化性能和资源使用是FPGA设计中的关键课题之一、设计师应该针对设计的关键部分进行性能和资源的优化，以提高系统的吞吐量和减少资源消耗。
例如，使用流水线技术可以提高系统的并行性，使用片上存储器可以减少对外部存储器的访问次数。
4.进行仿真和验证在FPGA设计过程中，进行仿真和验证是必不可少的步骤。
设计师应该使用合适的仿真工具和验证方法，对设计进行全面的功能和性能验证。
这可以帮助设计师发现和修复潜在的问题，并提高系统的可靠性和正确性。
5.案例开发经验除了上述的设计技巧，案例开发经验也非常重要。
设计师可以参考已有的FPGA设计案例，了解并学习其中的设计思路和技巧。
这些案例可以包括各种应用领域，如数字信号处理、图像处理、网络通信等。
通过分析和借鉴这些案例，设计师可以提高自己的设计能力，并在实际项目中应用。
综上所述，FPGA设计技巧与案例开发需要设计师具备一定的知识和经验。
FPGA的最小硬件系统设计
FPGA的最小硬件系统设计FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程的集成电路，其具有实现数字电路功能的能力。
然而，要实现一个完整的硬件系统，需要考虑到诸多因素，包括FPGA的资源利用、时序设计、通信接口、外设接口、时钟管理等等。
下面是一个关于FPGA最小硬件系统设计的详细说明。
一、FPGA的资源利用1.时钟资源：FPGA系统通常需要一个时钟源。
最小硬件系统设计中，可以采用一个外部时钟来驱动FPGA系统，这可以通过将时钟信号连接到FPGA的时钟引脚上来实现。
2.逻辑资源：FPGA包含大量的逻辑门用于实现所需的数字逻辑电路功能。
这些逻辑门可以通过在FPGA开发环境中进行引脚映射和逻辑编程来实现。
二、时序设计1.时钟分频：要实现复杂的数字逻辑电路，通常需要使用其他频率的时钟信号。
在FPGA中，可以使用时钟分频电路来生成所需的时钟频率。
2.时序限制：FPGA的时序限制是为了确保逻辑电路能在正确的时间窗口内运行。
时序限制可以通过指定逻辑电路路径上的延迟时间来实现。
三、通信接口1.串口：串口是一种常用的通信接口，适用于与其他设备进行数据交换。
在FPGA系统中，可以通过配置FPGA的引脚和使用适当的通信协议来实现串口通信。
2.并行接口：并行接口主要用于高速数据传输，相对于串口更适合传输大量数据。
在FPGA系统中，可以通过配置引脚和使用适当的并行接口协议来实现并行接口。
四、外设接口1.存储器接口：存储器接口用于与外部存储器进行数据交换。
在FPGA系统中，可以使用存储器控制器和适当的存储器接口协议来实现存储器接口。
2.传感器接口：传感器接口用于与外部传感器进行数据交换。
在FPGA系统中，可以使用模数转换器（ADC）和数字模数转换器（DAC）来实现传感器接口。
五、时钟管理1.时钟分配：在FPGA系统中，需要使用时钟信号来驱动各个模块。
通过时钟分配，可以将时钟信号传输到不同的模块中，这可以通过时钟分配网络来实现。
2.时钟域划分：在FPGA系统中，通常存在多个时钟域。
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REG1
D
SET
FPGA/CPLD
IO Element
Tdata CL
REG2
D
SET
REG3
Q
Q
Logic
D
SET
Q
CLR
Q
CLR
Q
CLR
Q
Tco (max, min)
µTsu/µTh
CLK_SHIFTED
Tclk2int
PLL
CLK
Tclk1
OSC
Tclk2ext
增加寄存器级数，对接口寄存器，可以放到IOB中
时钟歪斜/抖动通常都是PS级，在常用S6.C3.V5芯片中甚至是100PS级，在 分析时序时加一定的裕量就可以不考虑
时序分析（建立时间余量）
在锁存沿到来之前，实际数据稳定的时间超出能正确采样的Tsu的余量。 建立时间余量大于0是采样稳定的必要条件。
REG1
PRE
D
Q
Tclk1
CLR
组合 逻辑
Tdata
10 ns
D Q >
5 ns
D Q >
D Q >
7 ns
D Q >
8 ns
D Q >
时序优化（软件优化的作用）
调整关键路径的走线方式
a b - critical c d e f g
LUT
LUT
a e c d b f g
LUT
LUT
时序优（软件优化的作用）
使不同的级数之间延时变小
N
时序优化（软件优化的作用）
用同步信号控制异步接口（芯片内）
时序分析（IO接口分析）
接口时序分析必须考虑外部接口芯片的时序特性 接口时序分析包括外部走线的延时特性
FPGA/CPLD reg1
PRE
数据到达路径
FPGA/CPLD
Tdata
Q
reg2
PRE
D
D
Q
CL*
CLR CLR
TCO
Tclk1 Tclk2
Tsu/Th
数据延时路径
REG1
PRE
D
Q
Tclk1
CLR
组合 逻辑
Tdata
REG2
PRE
D
Q
CLR
TCO
Tclk2
Th 锁存沿
CLK REG1.CLK REG1.Q
Tclk1 Tco
Data Valid
Tdata
REG2.D Data Valid
Tclk2
REG2.CLK
Th
Hold Slack
时序分析（恢复/移除时间）
CLR
CLR
时钟路径 异步路径
三种路径: 1. 时钟路径 2. 数据路径 3. 异步路径* 两种分析: 1. 同步路径 2. 异步路径*
– 时钟 & 数据路径 – 时钟 & 异步信号
*在本例中异步路径是指控制寄存器异步信号的路径
时序分析（发射沿 & 锁存沿）
发射沿
CLK DATA Data Valid
FPGA中的时序包括两大部分： 中的时序包括两大部分： 中的时序包括两大部分 1,接口的时序。 接口的时序。 接口的时序 2,内部的时序。 内部的时序。 内部的时序
PRE PRE Q D Q
IN CLK
D
OUT
CLR
CLR
CLR
组合逻辑延时
时序分析（模型）
异步路径
PRE D Q
数据路径
D
PRE Q
REG1
PRE
REG2
D
Q
组合 逻辑
PRE
D
Q
CLR
CLR
Tclk2 锁存沿 CLK
Tclk2
REG2.CLK
时钟延时时间 = Tclk2
时序分析（时钟歪斜/抖动）
从时钟输入引脚到采样寄存器时钟引脚的延时
REG1
PRE
REG2
D
Q
组合 逻辑
PRE
D
Q
CLR
CLR
Tclk2 时钟歪斜 CLK REG2.CLK REG2.CLK
时序优化（更改设计）
Tclk1int
Tclk1ext
时序优化（总结）
问题
组合逻辑层次过多 信号扇出过大 接口时序紧张 某些慢路径不满足高时钟频率 整个通路中，总某一部分不满足时 整个通路中， 序 设计运行的结果时好时坏
方法
插入寄存器切断组合逻辑 复制信号减少扇出， 复制信号减少扇出，保留复制的信 号避免被工具优化 利用IOB中的寄存器，IODELAY等 中的寄存器， 利用 中的寄存器 等 多周期约束 更改布线策略 增加区域约束 增大设计裕量
数据采样路径
OSC
时序分析（IO接口分析）
接口时序分析必须考虑外部接口芯片的时序特性 接口时序分析包括外部走线的延时特性
时序优化（软件优化选项）
Quartus： ：
ISE:
时序优化（软件优化选项）
Quartus： ：
ISE:
时序优化（软件优化的作用）
平衡不同的寄存器级在延时路径中的比重
D Q >
较少扇出
时序优化（更改设计）
增加寄存器把多级组合逻辑切断 系统延时组成：逻辑延时，走线延时
什么情况下需要这样做：60/40法则：逻辑延时大于总延时的60%，需要切断
时序优化（更改设计）
VHDL Verilog
IF嵌套过多可能造成风险
时序优化（更改设计）
IF 多层嵌套综合结果
时序优化（更改设计）
CLK
Tsu
DATA
Th
时钟
CLR
采样窗
建立时间: 保持时间:
时钟沿到来之前，数据必须稳定的最短时间。 时钟沿到来之后，数据必须稳定的最短时间。
建立时间和（或）保持时间不满足是采样出错的根本原因。
时钟边沿前后，数据均需有个稳定期，以确保准确采样
时序分析（数据延时时间）
从发射沿到数据到达目的寄存器输入端的时间
SET D Q
CLK
Trec Trem
ASYNC Valid
CLK ASYNC
CLR
恢复时间: 在时钟沿到来之前，数据已经稳定的最短时间。 移除时间: 在时钟沿到来之后，数据保持稳定的最短时间。 跟同步信号的建立时间和保持时间是类似的概念。
时序分析（异步和同步）
• • • • • 尽量用同步设计。 异步信号一般只在没有时钟的情况下需要复位/置位操作时使用。 同步等于所有的动作在时钟这个口令员的口令下同时动作，整齐划一，稳定性可靠。 异步等于各信号各自为政，需要设计者搞清他们的关系，把他们都控制和安排好。 异步设计不是不可以，但是增大了设计者的工作量，增加了设计的复杂度。
FPGA中的时序分析和设计 中的时序分析和设计
本课程涉及的内容
• • • • • • • 时序基础 时序分析 时序优化 时序约束 同步设计 跨时钟域 设计案例
时序基础
时序分析和设计是为了回答以下问题： 时序分析和设计是为了回答以下问题： • 为什么同一个FPGA烧写程序在同一个板卡上时好时坏？ • 为什么同一个FPGA烧写程序在不同批板卡上表现不一？ • 设计是否已经稳定？有多大裕量？怎样更稳定？ • 设计是否可以跑得更快，怎样跑得更快？ • 怎样对设计进行完整有效的约束，怎样确定约束是否完整和合理？ • 为什么要进行同步设计，怎样进行同步设计？ • 怎样进行跨时钟域的设计？
REG1
PRE
D
Q
Tclk1
CLR
组合 逻辑
Tdata
REG2
PRE
D
Q
CLR
TCO 发射沿
CLK REG1.CLK REG1.Q
Tclk1 Tco
Data Valid
Tdata
REG2.D Data Valid
数据延时时间= Tclk1 + Tco +Tdata
时序分析（时钟延时）
从时钟输入引脚到采样寄存器时钟引脚的延时
OSC
FPGA/CPLD reg2
PRE
FPGA/CPLD reg2
Data required path
Q
PRE
D
Q
D
Data required path
CLR
ASSP reg1
PRE
CLR
reg1 Q D
PRE
D
Q
CLR
Data arrival path
CLR
Data arrival path
用同步信号控制异步接口（芯片间）
时序基础
数字域上的采样（最简模型） 数字域上的采样（最简模型）
物理模型
时序模型
时序基础
数字域上的采样（内部模型） 数字域上的采样（内部模型）
物理模型
时序模型
时序基础
数字域上的采样（接口模型） 数字域上的采样（接口模型）
物理模型
时序模型
时序基础
数字域上的采样（全模型） 数字域上的采样（全模型）
REG2
PRE
D
Q
CLR
TCO 发射沿
Tclk2
Tsu 锁存沿
CLK REG1.CLK REG1.Q
Tclk1 Tco
Data Valid
Tdata
REG2.D Data Valid
Tclk2
REG2.CLK
Setup Slack
Tsu
时序分析（保持时间余量）
在锁存沿到来之前，实际数据稳定的时间超出能正确采样的的余量。 保持时间余量大于0是采样稳定的必要条件。