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FPGA和SOPC应用-时序分析与逻辑优化
FPGA和SOPC应用——时序分析与逻辑优化
华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心
王贞炎
内容
时序分析基础
TimeQuest时序分析器
FPGA资源优化
FPGA时序优化
时序分析:时序分析是做什么的?
帮助分析和验证一个设计中的时序是否符合要求
所有的数据路径都会按照对应的约束被分析
整个设计必须符合时序要求或例外
指导fitter(布局布线器)布局布线出符合要求的结果
时序分析:一些基本概念
启动和锁存沿(launch latch edge)
建立和保持时间(setup hold times)
数据和时钟到达时间(data clock arrival time)
数据需求时间(data required time)
建立和保持时间裕量(setup hold slack)
恢复和移除时间(recovery removal time)
时序分析:路径和分析
三种路径:
时钟路径(Clock Paths)
数据路径(Data Paths)
异步路径(Asynchronous Paths)
两类分析:
同步分析(Synchronous):分析时钟与数据路径
异步分析(Asynchronous):分析时钟与异步路径
时序分析:启动沿和锁存沿
启动沿:使数据从源寄存器“发射”出去的时钟沿
锁存沿:使数据被目的寄存器锁存的时钟沿(一般来说,锁存沿在启动沿的后一个周期)
启动沿
锁存沿
时序分析:建立和保持时间
建立时间(TSU):在时钟有效沿之前数据必须保持稳定的最小时间
保持时间(TH):在时钟有效沿之后数据必须保持稳定的最小时间
建立时间和保持时间形成一个时间窗,在此窗之内,数据必须保持稳定。
时序分析:数据到达时间
数据到达目的寄存器数据输入端的时间
数据到达时间(DAT)= 启动沿 + Tclk1 + Tco + Tdata
时序分析:时钟到达时间
时钟到达目的寄存器时钟输入端的时间
时钟到达时间(CAT)= 锁存沿 + Tclk2
时序分析:数据建立时间要求
数据到达目的寄存器输入端的最迟时间
数据建立时间要求(DRTSU)= CAT - TSU
时序分析:数据保持时间要求
数据在目的寄存器输入端消失的最早时间
数据保持时间要求(DRTH)= CAT + TH
时序分析:建立时间裕量
数据到达时间与数据建立时间要求之间的裕量
数据建立时间裕量(Setup Slack)= DRTSU - DAT
时序分析:保持时间裕量
数据保持时间要求与数据保持时间之间的裕量
数据保持时间裕量(Hold Slack)= DAT - DRTH
时序分析:I/O分析
I/O分析采用与前面同步分析中同样的方法
必须指定外部器件和PCB上的时序信息
时序分析:恢复和移除时间
恢复时间:在时钟有效沿之前异步信号必须保持稳定的最小时间
移除时间:在时钟有效验之后异步信号必须保持稳定的最小时间
异步=同步?
异步信号的确不需要时钟,但不是完全与时钟无关
不能在时钟的有效沿附近跳变,因为会引起寄存器内部出现亚稳态。
时序分析:Quartus II 中的时序模型
Quartus II 中为每个器件建立了两个模型:
Slow Corner 模型(慢速模型)
为每条路径上可能出现的最慢性能的情况建模
在高温低电压下出现最慢性能
Fast Corner 模型(快速模型)
为每条路径上可能出现的最快性能的情况建模
在低温高电压下出现最快性能
为什么两个模型:
慢速模型是满足建立时间的最坏情况
快速模型是满足保持时间的最坏情况
对于65nm器件,由于低温情况下的“逆温效应”,Quartus II 中还有低温慢速模型。
TimeQuest TA
与传统时序分析器(Classic Time Analyzer)相比,TimeQuest Time Analyzer :
采用工业标准的约束方法(Synopsis Design Constraints File)
采用工业标准的报告方法
可采用GUI或命令行设置约束、运行分析和查看报告
可报告任意路径的逐节点的时序信息,并图形化的表示
更好地支持65nm及以下制程的FPGA
从Quartus II 10 开始Altera将不再支持Classic Time Analyzer
TimeQuest TA:TimeQuest GUI
TimeQuest TA:SDC文件编辑器
可使用GUI中的对话框添加约束语句(Edit – Insert Constraint)
语法高亮
语法提示
TimeQuest TA:图形化的SDC编辑
TimeQuest TA:使用TQ的基本步骤
生成时序网表
输入SDC约束
创建SDC文件并读入 或 读入已有的SDC文件
直接在控制台窗口输入约束
更新时序网表
生成时序报告
保存约束
TimeQ
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