時(shí)序分析是FPGA設(shè)計(jì)中永恒的話題，也是FPGA開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)進(jìn)階的必由之路。慢慢來(lái)，先介紹時(shí)序分析中的一些基本概念。

時(shí)鐘的時(shí)序特性主要分為抖動(dòng)（Jitter）、偏移（Skew）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）3點(diǎn)。對(duì)于低速設(shè)計(jì)，基本不用考慮這些特征；對(duì)于高速設(shè)計(jì)，由于時(shí)鐘本身的原因造成的時(shí)序問(wèn)題很普遍，因此必須關(guān)注。

時(shí)鐘抖動(dòng) （clock jitter）

理想的時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該是理想的方波，但是現(xiàn)實(shí)中的時(shí)鐘的邊沿變化不可能是瞬變的，它有個(gè)從低到高 / 從高到低的變化過(guò)程，如下圖所示。

常見(jiàn)的抖動(dòng)參數(shù)有3種：

周期抖動(dòng)（Period Jitter）：周期抖動(dòng)率（Period Jitter）測(cè)量時(shí)鐘輸出傳輸偏離其理想位置的最大偏離。Period Jitter代表周期差抖動(dòng)的上下邊界。

周期差抖動(dòng)（cycle-to-cycle Jitter）：周期差抖動(dòng)率（cycle-to-cycle jitter）是兩個(gè)相鄰周期的時(shí)間偏差。它總是小于周期抖動(dòng)（period jitter）

長(zhǎng)期抖動(dòng)（Long-term Jitter）：長(zhǎng)期抖動(dòng)率如下圖（Long-Term Jitter）定義為一個(gè)時(shí)鐘沿相對(duì)于基準(zhǔn)周期時(shí)鐘沿經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)之后，與其理想位置的偏離。此測(cè)量可以捕獲鎖相環(huán)低頻周期變化（緩慢的，頻率很低的）。長(zhǎng)期抖動(dòng)對(duì)圖形、串行連接通訊系統(tǒng)、打印機(jī)和任何光柵掃描操作非常重要。

時(shí)鐘抖動(dòng)的原因就是噪聲。時(shí)鐘抖動(dòng)是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到可以和時(shí)鐘周期相比擬的時(shí)候，會(huì)影響到設(shè)計(jì)，這樣的抖動(dòng)是不可接受的。

時(shí)鐘偏斜 （clock skew）

時(shí)鐘信號(hào)要提供給整個(gè)電路的時(shí)序單元，所以時(shí)鐘信號(hào)線非常長(zhǎng)，并構(gòu)成分布式的RC網(wǎng)路。它的延時(shí)與時(shí)鐘線的長(zhǎng)度、時(shí)序單元的負(fù)載電容、個(gè)數(shù)有關(guān)，所以產(chǎn)生所謂的時(shí)鐘偏移。時(shí)鐘偏移是指同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)兩個(gè)不同的寄存器之間的時(shí)間差值，根據(jù)差值可以分為正偏移和負(fù)偏移。

時(shí)鐘偏移的計(jì)算公式：Tskew = Tclk2 - Tclk1

時(shí)鐘偏移是永遠(yuǎn)存在的，當(dāng)其大到一定程度會(huì)影響電路的時(shí)序。解決方法就是在FPGA的設(shè)計(jì)中讓主要的時(shí)鐘信號(hào)走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用全銅工藝和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了專用時(shí)鐘緩沖和驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，到所有的IO單元、CLB和塊RAM的偏移非常小，可以忽略不計(jì)。

占空比失真DCD （Duty Cycle Distortion）

即時(shí)鐘不對(duì)稱，時(shí)鐘的脈沖寬度發(fā)生了變化。DCD會(huì)吞噬大量的時(shí)序裕量，造成數(shù)字信號(hào)的失真，使過(guò)零區(qū)間偏離理想的位置。DCD通常是由信號(hào)的上升沿和下降沿之間時(shí)序不同而造成的。

信號(hào)扇入/扇出 （fan-in/fan-out）

扇出（fan-out）是定義單個(gè)邏輯門能夠驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)輸入最大量的術(shù)語(yǔ)。大多數(shù)TTL邏輯門能夠?yàn)?0個(gè)其他數(shù)字門或驅(qū)動(dòng)器提供信號(hào)。因而，一個(gè)典型的TTL邏輯門有10個(gè)扇出信號(hào)。

在一些數(shù)字系統(tǒng)中，必須有一個(gè)單一的TTL邏輯門來(lái)驅(qū)動(dòng)10個(gè)以上的其他門或驅(qū)動(dòng)器。這種情況下，被稱為緩沖器（buf）的驅(qū)動(dòng)器可以用在TTL邏輯門與它必須驅(qū)動(dòng)的多重驅(qū)動(dòng)器之間。這種類型的緩沖器有25至30個(gè)扇出信號(hào)。邏輯反向器（也被稱為非門）在大多數(shù)數(shù)字電路中能夠輔助這一功能。

模塊的扇出是指模塊的直屬下層模塊的個(gè)數(shù)。一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)平均扇出是3或4。一個(gè)模塊的扇出數(shù)過(guò)大或過(guò)小都不理想，過(guò)大比過(guò)小更嚴(yán)重。一般認(rèn)為扇出的上限不超過(guò)7。扇出過(guò)大意味著管理模塊過(guò)于復(fù)雜，需要控制和協(xié)調(diào)過(guò)多的下級(jí)。解決的辦法是適當(dāng)增加中間層次。一個(gè)模塊的扇入是指有多少個(gè)上級(jí)模塊調(diào)用它。

扇人越大，表示該模塊被更多的上級(jí)模塊共享。這當(dāng)然是我們所希望的。但是不能為了獲得高扇人而不惜代價(jià)，例如把彼此無(wú)關(guān)的功能湊在一起構(gòu)成一個(gè)模塊，雖然扇人數(shù)高了，但這樣的模塊內(nèi)聚程度必然低，這是我們應(yīng)避免的。設(shè)計(jì)得好的系統(tǒng)，上層模塊有較高的扇出，下層模塊有較高的扇人。其結(jié)構(gòu)圖像清真寺的塔，上面尖，中間寬，下面小。

時(shí)序分析起點(diǎn)和終點(diǎn)

時(shí)序分析起點(diǎn)（launch edge）：第一級(jí)寄存器數(shù)據(jù)變化的時(shí)鐘邊沿，也是靜態(tài)時(shí)序分析的起點(diǎn)。

時(shí)序分析終點(diǎn)（latch edge）：數(shù)據(jù)鎖存的時(shí)鐘邊沿，也是靜態(tài)時(shí)序分析的終點(diǎn)。

數(shù)據(jù)輸出延時(shí) （Tco）

數(shù)據(jù)輸出延時(shí)（Tco）：這個(gè)時(shí)間指的是當(dāng)時(shí)鐘有效沿變化后，數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端的最小時(shí)間間隔。

建立時(shí)間 （setup time）

建立時(shí)間（setup time）是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。輸入信號(hào)應(yīng)提前時(shí)鐘上升沿（如上升沿有效）T 時(shí)間到達(dá)芯片，這個(gè)T就是建立時(shí)間。簡(jiǎn)而言之，時(shí)鐘邊沿觸發(fā)前，要求數(shù)據(jù)必須存在一段時(shí)間，這就是器件需要的建立時(shí)間。如不滿足建立時(shí)間，這個(gè)數(shù)據(jù)就不能被這一時(shí)鐘打入觸發(fā)器，只有在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)才能被打入觸發(fā)器。

保持時(shí)間 （hold time）

保持時(shí)間（hold time）是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。簡(jiǎn)而言之，時(shí)鐘邊沿觸發(fā)后，數(shù)據(jù)也必須保持一段時(shí)間，以便能夠穩(wěn)定讀取，這就是器件需要的保持時(shí)間。如果hold time 不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。

如果不滿足建立和保持時(shí)間的話，那么DFF（D type flip-flop/D類型觸發(fā)器） 將不能正確地采樣到數(shù)據(jù)，將會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)（metastability ）的情況。如果數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘沿觸發(fā)前后持續(xù)的時(shí)間均超過(guò)建立和保持時(shí)間，那么超過(guò)量就分別被稱為建立時(shí)間裕量和保持時(shí)間裕量。

數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間 （Data Arrival Time）

輸入數(shù)據(jù)在有效時(shí)鐘沿后到達(dá)所需要的時(shí)間。主要分為三部分：時(shí)鐘到達(dá)寄存器時(shí)間（Tclk1），寄存器輸出延時(shí)（Tco）和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)（Tdata）。

數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間的計(jì)算公式：

Data Arrival Time = Launch edge + Tclk1 +Tco + Tdata

時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間 （Clock Arrival Time）

時(shí)鐘從latch邊沿到達(dá)鎖存寄存器時(shí)鐘輸入端所消耗的時(shí)間為時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間。

時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間的計(jì)算公式：

Clock Arrival Time = Lacth edge + Tclk2

建立裕量 （Setup Slack）

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，就說(shuō)時(shí)間有余量，Slack是表示設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序的一個(gè)稱謂。

建立裕量的計(jì)算公式：

Setup slack = Data Required Time - Data Arrival Time

正的slack表示數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間，滿足時(shí)序（時(shí)序的余量），負(fù)的slack表示數(shù)據(jù)需求時(shí)間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間，不滿足時(shí)序（時(shí)序的欠缺量）。

最大時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘最小周期：系統(tǒng)時(shí)鐘能運(yùn)行的最高頻率。

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間大于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，時(shí)鐘具有余量

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間小于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，不滿足時(shí)序要求，寄存器經(jīng)歷亞穩(wěn)態(tài)或者不能正確獲得數(shù)據(jù)

當(dāng)數(shù)據(jù)需求時(shí)間等于數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間時(shí)，這是最小時(shí)鐘運(yùn)行頻率，剛好滿足時(shí)序

最小時(shí)鐘周期為數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間等于數(shù)據(jù)需求時(shí)間。

時(shí)序分析

分析上圖，數(shù)據(jù)傳播的路徑從上一級(jí)觸發(fā)器到下一級(jí)觸發(fā)器建立經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)時(shí)延總和為：Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup - slack + Tsu。

在兩級(jí)寄存器之間，時(shí)鐘間隔為：Tclk + Tclk2。

根據(jù)建立時(shí)間要求（在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)的時(shí)候，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，且保持一定的時(shí)間Tsu）可以列一個(gè)不等式：數(shù)據(jù)時(shí)延時(shí)鐘間隔，即：Tclk1 + Tco + Tdata + Tsetup - slack + Tsu = Tclk + Tclk2。

同理，根據(jù)保持時(shí)間要求（時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，寄存器鎖存數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)要保持一定的穩(wěn)定時(shí)間Th）可以列出：Tco + Tdata = Th。

隨著系統(tǒng)時(shí)鐘 fclk 變大時(shí)，Tclk變小，則要求 Tco + Tdata 也變小，當(dāng) Tco + Tdata 不滿足第一個(gè)不等式時(shí)，不滿足建立時(shí)間要求；但是，Tco + Tdata 也不是越小越好，當(dāng)其太小時(shí)，不滿足第二個(gè)不等式時(shí)，觸發(fā)器不能正常鎖存數(shù)據(jù)，即不滿足保持時(shí)間要求。從某種意義上說(shuō)，Th限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。

對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)最大的目的是提高時(shí)序的裕量，這樣即使信號(hào)完整性上出現(xiàn)一點(diǎn)問(wèn)題，或者外界環(huán)境發(fā)生一定的變化，系統(tǒng)仍然能正常工作，這就是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)該體現(xiàn)出的超強(qiáng)的穩(wěn)定性。

審核編輯：郭婷