第四部分：时序约束与分析
时序约束的概念
时序约束的概念
时序约束是指在设计和开发硬件或软件系统时，对于其中的各个元件或操作的时间关系的限制要求。
它用来确保系统在特定的时间范围内以期望的顺序和时间间隔进行操作。
时序约束在各个层面的设计中都有应用，包括电子电路设计、数字系统设计、通信协议设计等。
时序约束可以包括以下几个方面：
1.时钟频率和时钟沿：为了实现正确的操作顺序，时序约束会定义系统中的时钟频率和时钟沿的要求。
这可以保证各个元件在时钟信号的控制下按照预期的时序进行操作。
2. 时序延迟：时序约束可以规定不同元件或操作之间的最大或最小延迟要求。
这可以确保信号在指定的时间范围内到达目标元件，避免信号延迟导致的系统故障或性能下降。
3. 时序关系：时序约束可以定义不同元件或操作之间的时间关系，如顺序、并行和同步等。
这确保了系统在不同元件之间的通信和操作按照特定的时间顺序进行。
4. 时序约束检查：通过时序约束检查工具，可以对设计中的时序约束进行验证。
XILINX-时序约束使用指南中文
XILINX时序约束使用指南笔记第一章 时序约束介绍第二章 时序约束方法第三章 时序约束原则第四章 在XST中指定时序约束第五章 在Synplify中指定时序约束方法第六章 时序约束分析第一章 时序约束介绍 基本的时序约束包括：“PERIOD Constraints”“OFFSET Constraints”“FROM:TO(Multi‐Cycle)约束”第二章 时序约束方法1，简介：2，基本的约束方法根据覆盖的路径不同，时序要求变成一些不同的全局约束。
最普通的路径类型包括：1，输入路径2，同步元件到同步元件路径3，指定路径4，输出路径XILINX的时序约束与每一种全局约束类型都有关。
最有效的方法就是一开始就指定全局约束然后再加上指定路径的约束。
在很多案例中，只要全局约束就可满足需求。
FPGA器件执行工具都是由指定的时序要求驱动的。
如果时序约束过头的话，就会导致内存使用增加，工具运行时间增加。
更重要的是，过约束还会导致性能下降。
因此，推荐使用实际设计要求的约束值。
3，输入时序约束输入时序约束包括2种“系统同步输入”“源同步输入”输入时钟约束覆盖了输入数据的FPGA外部引脚到获取此数据的寄存器之间的路径。
输入时钟约束经常用”OFFSET IN”约束。
指定输入时钟要求的最好方法，取决于接口的类型（源/系统同步）和接口是SDR还是DDR。
OFFSET IN定义了数据和在FPGA引脚抓取此数据的时钟沿之间的关系。
在分析OFFSET IN 约束时，时序分析工具自动将影响时钟和数据延迟的因素考虑进去。
这些因素包括： 时钟的频率和相位转换时钟的不确定数据延迟调整除了自动调整，还可以在与接口时钟相关的”PERIOD”约束中另外增加时钟不确定。
关于增加”INPUT_JITTER”的更多信息，参见第三章的”PERIOD Constraints”。
“OFFSET IN”与单输入时钟有关，默认情况下，OFFSET IN约束覆盖了从输入pad到内部同步元件之间的所有路径。
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。
Quartus时序约束与时序分析剖析
保持时间
保持时间：在触发器的时钟信号有效沿到来以后，数据 和使能信号必须保持稳定不变的最小时间。如果保持时 间不够，数据同样不能被正确打入触发器。 tH = Clock Delay – Data Delay + MicrotH
Tips
tH (clock hold time) : The minimum length of time for which data that feeds a register via its data or enable input(s) must be retained at an input pin after the clock signal that clocks the register is asserted at the clock pin. tH = <clock to destination register delay> + <micro hold delay of destination register> - <pin to register delay> minimum tH slack = <required th> - <actual th>
设计中常用的时序概念
时钟偏斜 周期与最高频率 建立时间 保持时间 时钟到输出延时 管脚到管脚延时 Slack
时钟偏斜
时钟偏斜：指一个同源时钟到达两个不同的寄存器时钟端 的时间差别。 clock skew：The difference in the arrival time of a clock signal at two different registers, which can be caused by path length differences between two clock paths, or by using gated or rippled clocks. Clock skew is the most common cause of internal hold violations.
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。
Quartus时序约束与时序分析剖析
管脚到管脚延时
管脚到管脚延时tPD：指信号从输入管脚进来，穿过纯组合 逻辑，到达输出管脚的延迟。由于CPLD的布线矩阵长度 固定，所以常用最大管脚到管脚延时标准CPLD的速度等 级。 tPD (pin-to-pin delay) ：The time required for a signal from an input pin to propagate through combinational logic and appear at an external output pin.
建立时间
建立时间：在触发器的时钟信号有效沿到来以前，数据 和使能信号必须保持稳定不变的最小时间。如果建立时 间不够，数据将不能在该时钟沿被正确打入触发器。 tSU = Data Delay + MicrotSU －Clock Delay
Tips
tSU (clock setup time) : The length of time for which data that feeds a register via its data or enable input(s) must be present at an input pin before the clock signal that clocks the register is asserted at the clock pin. tSU = <pin to register delay> + <micro setup delay> - <clock to destination register delay> tSU slack = <required tsu> - <actual tsu>
UML时序图的消息传递方式选择与约束条件分析
UML时序图的消息传递方式选择与约束条件分析在软件开发过程中，UML时序图是一种常用的建模工具，用于描述系统中各个对象之间的交互和消息传递。
而消息传递方式的选择以及约束条件的分析则是时序图设计的关键要素之一。
本文将探讨在设计时序图时如何选择合适的消息传递方式，并分析约束条件对时序图的影响。
1. 消息传递方式的选择在时序图中，消息传递方式有两种：同步消息和异步消息。
同步消息表示发送消息的对象需要等待接收消息的对象完成处理后才能继续执行，而异步消息则表示发送消息的对象无需等待接收消息的对象的处理结果。
在选择消息传递方式时，需要考虑以下因素：1.1 依赖关系如果发送消息的对象依赖于接收消息的对象的处理结果，那么应该选择同步消息传递方式。
这样可以确保发送消息的对象在接收消息的对象完成处理后才能继续执行，避免出现不一致的情况。
1.2 并发性如果发送消息的对象与接收消息的对象之间不存在依赖关系，且可以并发执行，那么可以选择异步消息传递方式。
这样可以提高系统的并发性能，减少等待时间。
1.3 时序要求如果发送消息的对象与接收消息的对象之间存在严格的时序要求，那么应该选择同步消息传递方式。
这样可以确保消息按照预定的顺序被接收和处理，避免出现时序错误。
2. 约束条件的分析在设计时序图时，约束条件是对消息传递过程中的一些限制和规范的描述。
对约束条件的分析有助于确保时序图的正确性和可靠性。
以下是一些常见的约束条件及其分析方法：2.1 时序约束时序约束描述了消息在时序图中的发送和接收顺序。
通过分析时序约束，可以确定消息传递的先后顺序，避免出现时序错误。
例如，如果一个对象需要在接收到消息A后才能接收消息B，那么可以使用时序约束来描述这个顺序关系。
2.2 条件约束条件约束描述了消息传递发生的条件。
通过分析条件约束，可以确定在满足一定条件下才能发送或接收消息，从而确保系统的正确性。
例如，如果一个对象只有在某个状态下才能接收某个消息，那么可以使用条件约束来描述这个条件。
时序分析（2）：时序约束原理
时序分析（2）：时序约束原理⼀、基本概念1．时序：时钟和数据的对应关系2．约束：告诉综合⼯具，我们希望时序达到什么样的标准3．违例：时序达不到需要的标准4．收敛：通过调整布局布线⽅案来达到这个标准5．静态时序分析：电路未跑起来时，延时等已知，以此分析时序6．动态时序分析：电路跑起来，如Modelsim软件（理想状态）⼆、时序分析基本模型模型分为以下四种：（注：PAD指管脚）寄存器与寄存器之间输⼊PAD与寄存器之间寄存器与输出PA D之间输⼊PAD 与输出PAD之间（太极端，不讨论）知识补充：1、全局时钟：FPGA时钟到各个寄存器的时间⾮常接近。
2、⾃分频时钟：⾛的是数据线，到各个寄存器的时间差异⾮常⼤。
三、理想状态的建⽴时间和保持时间1、建⽴时间 Time setup(1) 接收时钟上升沿前，发送数据要准备好的时间(2) Tsu = 数据锁存沿（Latch）- 数据发送沿（Lanch）= 时钟周期2、保持时间 Time hold(1) 接收时钟上升沿后，发送数据要保持住的时间(2) Th = 发送端数据变化时 - 接收端数据锁存 = 03、补充(1) D触发器本⾝也有建⽴/保持时间的概念，称之为寄存器建⽴时间门限和寄存器保持时间门限，这是⼀个固有属性，是确定的、不变的。
当理想状态时，我们讨论建⽴/保持时间就相当于讨论D触发器的这⼀固有属性。
(2) FPGA所有时序问题，根本原因都是“建⽴时间和保持时间”的问题。
(3) 解决建⽴时间不⾜的⽅法是“减少延时”，⽽解决保持时间不⾜的⽅法是“增加延时”。
4、符号说明四、建⽴时间余量和保持时间余量Lunch edge：发射沿，以 clk_pad 为基准，⼀般看成 0 时刻。
实际时间是上⼀个寄存器所⽤的时间，因此⽤ clk1，看数据到达下⼀个寄存器的 D 端⽤了多久时间，结束时间⼜是多久。
Latch edge：接收沿，以 clk_pad 为基准，⼀般看成 0+Tcyc 时刻，要求时间是下⼀个寄存器计算的时间，所以⽤ clk2，看它⾃⾝需要的到达时间和结束时间是什么时候。
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
应用
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。
计算机硬件设计中的时序约束与验证方法
计算机硬件设计中的时序约束与验证方法在计算机硬件设计中，时序约束和验证是非常重要的环节。
时序约束用于确保电子系统的正常工作，验证方法则是验证系统是否符合这些约束。
本文将深入探讨计算机硬件设计中的时序约束和验证方法。
一、时序约束的概念和重要性时序约束是指在电子系统中确定各个时钟信号、数据信号以及状态转换的时间关系，以确保电子系统的正确运行。
时序约束描述了设计中关键信号的时序特性，如时钟周期、最大延迟等。
时序约束的正确性对于系统的稳定性、可靠性和性能都具有重要影响。
二、时序约束的设置方法时序约束的设置需要考虑到电路中各个部件之间的数据传输时序。
一般来说，时序约束可以通过一些工具或语言来进行设置，如时序约束语言（SDDL）、时序约束编写语言（SDCL）等。
这些工具和语言都具有自己的语法和规则，可以精确地描述时序约束。
三、常见的时序约束类型1. 时钟信号相关的时序约束：时钟频率、时钟占空比等。
这些约束确保时钟信号的稳定性和可靠性。
2. 数据通路相关的时序约束：数据的传输速率、数据的有效时间等。
这些约束确保数据在各个部件之间正确地传递。
3. 状态转换相关的时序约束：状态的切换时间、状态的保持时间等。
这些约束确保状态之间的转换正确且可靠。
四、时序约束的验证方法1. 仿真验证：通过使用仿真工具，对电路进行仿真测试，验证电路是否满足时序约束。
仿真验证可以提前发现问题，并进行调试和优化。
2. 静态时序分析：使用静态时序分析工具，对电路的时序约束进行静态分析。
这种方法可以在设计阶段发现潜在的时序问题，并指导调整设计。
3. 时序约束检查：通过时序约束检查工具，对设计中的时序约束进行检查和验证。
这种方法可以自动检查设计是否符合时序约束，提高设计的准确性和效率。
五、时序约束的优化和调整在设计过程中，可能会出现时序约束不满足的情况。
此时，需要进行优化和调整，以确保时序约束的满足。
常见的方法包括增加时钟频率、优化电路结构、进行时钟域划分等。
电路设计流程如何处理设计中的时序问题
电路设计流程如何处理设计中的时序问题电路设计流程中时序问题的处理方法时序问题在电路设计中是一个非常重要的考虑因素，它关乎着电路的性能、可靠性以及功耗等方面。
本文将介绍电路设计流程中如何处理设计中的时序问题，并提供一些有效的方法和技巧。
一、时序问题的定义和影响时序问题指的是在电路设计中，由于信号传输延迟、时钟不同步等原因导致的信号数据到达的时间和顺序与预期不符的情况。
时序问题一旦发生，可能会导致数据错位、时钟抖动、系统死锁等严重后果，影响电路的正常工作。
二、时序问题的分析和检测在电路设计流程中，时序问题的分析和检测是非常重要的一步。
我们可以通过以下几种方式进行时序问题的分析和检测：1. 时序约束分析：通过对电路各个部分的时序约束进行分析，确定每个信号的到达时间和传输时间要求，从而检测是否存在时序问题。
2. 时序图绘制：根据时序约束，绘制时序图，清晰地展示各个信号的到达时间和传输时间。
通过对时序图的分析，可以发现时序问题的潜在风险。
3. 仿真验证：借助仿真工具，对电路进行时序仿真验证。
通过仿真结果，可以检测出时序问题并进行优化调整。
三、处理时序问题的方法和技巧当发现时序问题后，我们需要针对具体情况采取相应的处理方法和技巧，以确保电路的正常工作。
以下是一些常用的处理时序问题的方法和技巧：1. 优化时钟设计：时序问题往往与时钟设计密切相关。
合理地设计和布置时钟网络，降低时钟分布时延，可有效减少时序问题的发生。
2. 优化布局和布线：合理的逻辑布局和布线是解决时序问题的关键。
通过优化布局和布线，减少信号传输延迟，提高电路的工作速度和可靠性。
3. 采用流水线技术：对于一些复杂的时序问题，可以采用流水线技术进行处理。
流水线可以将信号的处理过程分为多个阶段，减少单个时序要求，从而降低时序问题的影响。
4. 时序约束调整：根据具体的时序问题，可以适当地调整时序约束，放宽或收紧信号的到达时间和传输时间要求，以减少时序问题的发生。
时序约束与分析基础
5
时序路径
6
从引脚到引脚
D
Q
输入到输出路径示意图
7
从输入到寄存器
D
Q
输入到寄存器路径示意图
8
从寄存器到输出
D
Q
输入到输出路径示意图
9
从寄存器到寄存器
D
Q
D
Q
输入到输出路径示意图
10
பைடு நூலகம்序基础
11
输入延时约束
外部器件 板级延时 uTco CLK 最大输入延时 CLK Tsu
FPGA uTsu
时序约束与分析基础
1
常用设计约束种类
时序约束：规范设计的时序行为，表达设计者 期望满足的时序条件，指导综合和布局布线阶 段的优化方法等。 区域与位置约束：主要指芯片I/O引脚位置，以 及指导工具在芯片特定的物理区域进行布局布 线。
其他约束：目标芯片型号、电气特性等。
时序约束的作用：提高设计的工作频率；获得 正确的时序报告。
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设置时序约束的方法
1.通过Assignment/Timing Analysis Settings 菜单命令。 2.通过Assignment/Classic Timing Analyzer Wiards 菜单命令。 3.通过Assignment/Assignment Editor选项在 图形界面下完成对设计时序的约束。
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（2）个别时序约束 执行命令：Assignments Editor 在Assignment Name中选择约束项目，如 Clock Settings （3）时序约束的种类 可以单点、点到点、通配符或时序分组。 （4） Assignments Editor可对所有的时序 约束。
SOPC系统设计与实践-要点归纳
《现代电子设计技术》课程要点归纳第1章概述1 SOPC名词解释2 VHDL名词解释：Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language超高速集成电路硬件描述语言3 集成电路发展的6个阶段：晶体管，小规模集成电路（SSI），中规模集成电路(MSI)，大规模集成电路（LSI），超大规模集成电路(VSLI)，片上可编程系统(SOC)4 片上系统（SOC）基本概念：SoC (System on Chip,片上系统) 是ASIC(Application Specific IntegratedCircuits) 设计方法学中的新技术,是指以嵌入式系统为核心,以IP 复用技术为基础,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片.狭意些理解,可以将它翻译为“系统集成芯片”,指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能,包含嵌入软件及整个系统的全部内容;广义些理解,可以将它翻译为“系统芯片集成”,指一种芯片设计技术,可以实现从确定系统功能开始,到软硬件划分,并完成设计的整个过程.5 SOC设计方法学中的系统集成芯片技术包括的三个方面：设计重用技术，软硬件协同设计技术，纳米级电路设计技术6 SOC设计重用技术的概念、特点、构成及要求：主要指的是IP重用技术，重用预先设计并经验证的模块（可从第三方获得），以达到缩短设计周期、加快投入市场的目的；它由IP的设计和IP的使用两个部分构成，要求所设计的IP可重用、可配置和可升级，目标是IP能即插即用。
7 软硬协同技术的概念及其构成：一般来说，面向SOC的软硬件协同设计理论是从一个给定的系统描述着手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生成符合系统功能要求、符合系统约束的硬件和软件架构。
软硬协同主要包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合以及软硬件协同模拟与验证。
时序约束总结
时序约束总结很多人发贴，来信询问关于约束、时序分析的问题，比如：如何设置setup，hold时间？如何使用全局时钟和第二全局时钟（长线资源）？如何进行分组约束？如何约束某部分组合逻辑？如何通过约束保证异步时钟域之间的数据交换可靠？如何使用I/O逻辑单元内部的寄存器资源？如何进行物理区域约束，完成物理综合和物理实现？等等。
为了解决大家的疑难，我们将逐一讨论这些问题。
今天先讨论一下约束的作用？有些人不知道何时该添加约束，何时不需要添加？有些人认为低速设计不需要时序约束？关于这些问题，希望下面关于约束作用的论述能够有所帮助！附加约束的基本作用有3：(1)提高设计的工作频率对很多数字电路设计来说，提高工作频率非常重要，因为高工作频率意味着高处理能力。
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。
芯片设计中的时序约束分析与优化策略
芯片设计中的时序约束分析与优化策略芯片设计中的时序约束分析与优化策略是保证芯片设计正确性和性能的关键步骤。
本文将介绍时序约束分析的基本概念和流程，并探讨常用的时序约束优化策略。
一、时序约束分析：时序约束是芯片设计中用于定义电路中各个时序要求的规范。
它包括信号延迟、时钟频率和时序要求等信息。
时序约束分析的目标是通过对设计中的各个元素的时序要求进行分析和验证，确保芯片在正确的时间内执行正确的操作。
1.1 时序约束分析流程：时序约束分析的流程主要包括以下几个步骤：1. 定义设计目标：明确芯片设计的目标和性能要求，包括时钟频率、信号延迟等；2. 收集时钟信息：确定设计中各个时钟域及其频率，并建立时钟树模型；3. 定义时序要求：根据设计目标和性能要求，为各个时钟域中的信号定义时序要求，如最大延迟、最小间隔等；4. 进行时序约束分析：使用专业的时序约束分析工具对设计进行分析，检查是否存在时序冲突或不满足要求的情况；5. 优化时序约束：根据分析结果，对时序约束进行调整和优化，以满足设计要求；6. 验证时序约束：对优化后的时序约束进行验证，确保设计能够满足时序要求；7. 更新时序约束：根据验证结果，不断调整和更新时序约束，以实现最佳性能。
1.2 时序约束分析的重要性：时序约束分析是芯片设计中不可缺少的环节，它对芯片的性能和正确性都有着重要影响。
合理的时序约束可以减少电路的功耗和面积，并提高芯片的时序容限。
同时，时序约束分析可以帮助设计人员发现设计中的潜在问题，避免设计错误。
二、时序约束优化策略：时序约束优化是通过调整时序约束来改善芯片设计的性能和正确性。
以下是几种常用的时序约束优化策略：2.1 时钟域划分优化：合理的时钟域划分可以减少不同时钟域之间的时序问题。
设计人员可以根据时序约束分析的结果，将芯片划分为多个时钟域，并通过适当的时钟域划分策略，来减少时序问题的影响。
2.2 约束松弛优化：约束松弛是指在时序约束中增加一定的容限，允许一定的时序误差。
4.3.3 多周期约束[共7页]
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第4章 时序约束与时序分析1744.3.2 多时钟域一、 多时钟路径一个多时钟的设计是指其中有多个工作时钟，当给这些时钟添加了合理的约束后，Quartus II 工具将分析这些时钟域中的寄存器到寄存器路径的时序。
在默认情况下，工具会剪除非相关时钟之间的路径。
二、 指定时钟关系如果用户需要约束不同时钟域之间的路径，首先要定义一个独立时钟，然后在这个时钟的基础上定义另一个时钟（衍生时钟），选择分倍频关系、占空比（Duty Cycle ）、偏移（Offset ）和反相设置等。
这样，Quartus II 布局布线和时序分析工具就会将这两个时钟之间的路径看成是相关时钟路径，时序约束也就按照两时钟之间的关系约束。
在Altera 的器件中，如果使用MegaWizard 产生的PLL 有多个输出时钟，即使这些时钟之间的频率、相位、延时及偏移都不一样，Quartus II 工具也会将这些时钟看做相关时钟，除非用户在Assignment Editor 中将这些输出时钟分别定义为独立时钟（absolute clock ）。
三、 分析时序报告在多时钟域之间的路径中，从相关时钟clock_A 到clock_B 之间的路径将在目的触发器端的时钟clock_B 的Clock Setup 中报告，如图4-44所示。
图4-44 clock_A 和clock_B 之间的时序路径报告4.3.3 多周期约束一、 多周期路径简介在通常情况下，我们的时序路径都是单周期的时序路径。
所谓多周期路径是指需要一个时钟周期以上数据稳定时间的路径，例如，一个寄存器需要每2个或每3个时钟周期锁存一次数据。
图4-45中显示了在乘法器的输入和输出寄存器之间的多周期路径，其中使能信号每两个时钟周期使能一次。
这类约束的要求没有那么严，因此又叫做弱约束。
高级时序分析175图4-45 多周期路径框图二、 约束下面介绍各种各样的多周期约束。
(1) 多周期路径约束（Multicycle ）和多周期保持约束（Multicycle Hold ）。
在ISE下分析报告和约束时序
1.在ISE下分析和约束时序3.1ISE的时序约束工具入门像TimeQuest一样，ISE软件工具也有自己的时序约束及分析工具。
ISE界面的processes当中，有一个user constraints列表，其中的Creat Timing Constrain可以提供用户添加指定的时序约束。
ISE使用的时序约束信息跟其他的物理约束，电气约束等信息全部都放置在后缀名为ucf（user constrain file）的文件中，在使用图形化界面编辑约束后，用户还可以直接编辑UCF文件对时序等要求进行修改。
此外，PlanAhead Post synthesis工具在提供管脚，区域约束等功能之外，也提供了时序约束及分析的功能。
所以设计者在约束设计时序时可以有多种方法。
使用Creat Timing Constrain时界面的约束类型部分如下图所示：图 ISE时序约束类型从图中我们看到，这个工具对于时序约束的理解与altera的一致，需要约束时钟，输入输出信号，以及指定一些时序例外，也有将约束组成Group的功能。
Xilinx公司对于其FPGA约束的名称与altera略有不同，但含义一样。
分别是Period constrain（时钟周期约束），OFFSET constrain（输入输出偏移约束），以及FROM TO constrain，当然也有multi-cycle constrain等。
双击unconstrained clks窗口的clk项，出现的以下对话框可以对设计的时钟信息进行指定。
图 ISE下约束时钟界面这个界面可以设置时钟的周期，占空比，以及初始边沿是上升沿还是下降沿。
或者如果这个时钟是从其他指定的时钟生成的，也可以指定生成的关系从而软件自己计算生成时钟的信息。
unconstrained clks窗口将设计中没有约束的时钟列出来，在对每个时钟一一指定之后，窗口内容逐一消失。
而其上方另一个窗口将显示约束的具体信息，并且也可从中选择一条约束进行逐一修改。
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4.1时序约束与时序分析基础
设计中常用的时序概念：
周期、最大时钟频率、时钟建立时间、时钟保持时间、 时钟到输出延时、管脚到管脚延时、Slack和时钟偏斜。
运行时序分析的方法：
1、直接进行全编译（Full compilation） 2、运行命令 processingstartstart Timing Analysis • 3、使用Tcl脚本（Scripts）运行时序分析工具
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4.1.2 Quartus工具分析
•时序分析报告中以升序方式排列出路径的fmax，些路径上 可利用Quartus中的功能工具分析更多的信息。
•选中某路径
•列出路径信息 •在Assinment编辑器中定位路径 •在时序收敛平面布局器中定位路径 •在最后编译结果平面布局器中定位路径 •在“工艺映射查看器”中定位路径
Data Delay Micro tH Micro tH
tH
Clock Delay
•指寄存器内部固有的保持 时间，是其固有属性，典 型 值一般<1ns
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4.1.5 时钟输出延时
Clock to Output Delay：即时钟输出延时，在时钟有效沿到 数据有效的最大时间间隔。 •tCO = Clock Delay +Data Delay+Micro tCO
式系统块)的路径。 •剪除不相关时钟之 间的路径。 •在缺省情况下， 这些路径都将 被当做伪路径 处理
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•剪除从双向管脚反 馈回来的路径。
•I/O路径的时钟建立 和保持关系。 •锁存器同步元素分 27 析。
4.2.1 指定全局时序约束 • 时序分析和报告选项（2）
•每个时钟显示10个 最慢的目的寄存器 •每个时钟显示10个 最慢的源寄存器 •显示200条最差的 路径。
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4.1.2 Quartus工具分析
•选择List Path则可在Message Windows窗口System页中查看路径延时细节。 •数据延时（B） •时钟偏斜（S） •时钟到输出延时（tco） •建立时间（tsu）
tco S
B
tsu
•fmax = 1/[tco + data delay + 河北科技大学 tsu - clock skew ] V1.0 = 1/[0.25 + 7.571 + (-0.036)-(0.009)] = 128.6MHz
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t
t
4.2.1 指定全局时序约束 • 全局时钟设置
如果在设计中只有一个全局时钟，或者 所有的时钟同频，那么可以在Quartus II中 设计一个全局的时钟约束。
运行【Assignment】【Timing Settings 】 单时钟设计中的 全局时钟约束 进入全局时钟设置界面
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•Hold Slack（保持时间裕量）
启动沿
时钟1延时
锁存沿
时钟输出延时
数据延时
时钟2延时
时钟保持 保持时间裕量
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河北科技大学 Hold Slack = Data Arrival Time - Data Required Time。
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4.1.8 时钟偏斜
•Clock Skew：即建立偏斜，指一个同源时钟上到达两个不 同的寄存器时钟端的时间差别。 造成Clock Skew的原因 主要是两条时钟路径到 达同步元件的长度不同。 现代的FPGA中一般都 Clock1 Delay Clock2 Delay 有全铜层的全局时钟驱 动网络。全局时钟的 Clock1 Delay Skew非常小，一般可忽 略不计； Clock2 Delay 所以用全局时钟资源设 Clock Skew 计主要时钟信号，能有 效避免Skew。 •Clock Skew = Clock2 Delay - Clock1 Delay V1.0 河北科技大学
•对CPLD而言，布线矩阵长度固定，所以常用tPD标志 CPLD的速度等级。
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4.1.7 时序裕量Slack
Slack是表示设计是否满足时序的称谓，正的Slack表示满足 时序（时序有裕量），负的Slack表示不满足时序（时序欠 裕量）。
•Slack概念中较重要的是Setup Slack（建立时间裕量） • 和Hold Slack （保持时间裕量）
通过菜单窗口 设置:
Assignments->Time Setings Assignments->Setings-> Timing Require & Options
–
通过修改“.QSF”文件设置
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Quartus II工程中所有的约束都存放在“.QSF”文件中，可直
V1.0 河北科技大学 接用文本编辑器修改（关闭工程）
Micro tCO
tCO
Data Delay Clock Delay
Micro tCO
•指寄存器内部固有的延迟 时间，是其固有属性，典 型 值一般<1ns
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4.1.6 引脚到引脚的延时
Pin to Pin Delay：指信号从输入管脚进来穿过纯组合逻辑到 达输出管脚的延迟。
•tPD
•全局时序约束即指定工程范围内通用的全局性时序约束。 •个别时序约束即对特殊的结点、路径、分组、模块指定个 别性的时序约束。
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4.2 设置时序约束的常用方法 • •
先 进行全局设置，再 进行单个设置 单个设置的 优先级别 高于 全局设置（在 2者冲突的情况下）
•
– –
–
方法：
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4.1时序约束与时序分析基础
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• • • • • • • • • •
在静态时序分析（STA）报告中，主要包括： 1、Timing Analyzer Setting（时序分析设置） 2、 Timing Analyzer Summary（时序分析概要） 3、Clock Setup（时钟建立关系） 4、 Clock Hold（时钟保持关系） 5、tsu（输入建立时间） 6、th（输入保持时间） 7、 tco（时钟到输出延时） 8、tpd（管脚到管脚延时） 5 河北科技大学 9、Minimum tpd & tco（最小的tpd 和tco）
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4.1.2 Quartus工具分析
•在list Paths窗口中，右键 选择Locate 或 在编译报告中右键 选择Locate in TimingClosureFloorplan，在平面布局器中定位路径
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4.1.3 时钟建立时间
•Setup Time：即建立时间，在时钟上升沿之前数据必须稳 定的最短时间。若不满足setup time，数据无法进入寄存器： tSU = Data Delay -Clock Delay +Micro tSU
1、优化I/O路径保持时间和最小 PD要求。（如最小触发器到管脚 CO延时） 2、优化所有路径（内部和I/O），包括内部寄存器到寄存器之间的路径保持时间。
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运行【Assignment】【Settings】 Quartus II 在优化过程中，布局布线将在保持时间时序违规的路径上增加布线延时，以满足时序 选择【Fitter Setting】进入TDC界面 要求。
4.2.1 指定全局时序约束 • 全局的I/O时序设置
最小保持延时 建立延时
最小输出延时
输出延时
引脚间延时
最小引脚间延时
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4.2.1 指定全局时序约束 • 时序分析和报告选项（1）
Quartus II中，一些设置选项可以用来控制 •剪除异步的清零和 时序分析和报告。例如分析哪些路径，不分 置位信号的路径。 析哪些路径，如何报告时序等。 •剪除穿过ESB(嵌入
4.1.1周期与最高频率
•周期的概念是FPGA时序定义的基础，其他时序公式都可 以用周期公式推导出来。
•如图所示的最小时钟周期计算： T = tCO + tDELAY + tSU。时钟周期大于T，触发器正常工作； 时钟周期小于T，不满足建立时间，触发器可能经历亚稳 态。即最高时钟频率fmax = 1/T。
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4.3高级时序分析
●时序约束与时序分析基础 ●设置时序约束的常用方法 ●高级时序分析
●最小化时序分析
●使用TCL工具进行高级时序分析
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4.2 设置时序约束的常用方法
•
– – – – – –
可以进行 那些 时序约束设置？
内部
I/O
最大 最小 全局 单个节点或模块
时序约束设置 时序约束设置 时序约束设置 时序约束设置 时序约束设置 时序约束设置
•不报告fmax在 250MHz以上的路径。 •在缺省情况下， 这些路径都将 被当做伪路径 处理
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4.1.7 时序裕量Slack
•Setup Slack（建立时间裕量）
启动沿
锁存沿
时钟1延时 时钟输出延时
数据延时
时钟2延时
建立时间裕量
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河北科技大学 Setup Slack = Data Required Time – Data Arrival Time。
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4.1.7 时序裕量Slack
Data Delay Micro tSU