FPGA时序收敛：一流设计让您高枕无忧

只看该作者 · 2012-12-20 19:48

您编写的代码是不是虽然在仿真器中表现正常，但是在现场却断断续续出错？要不然就是有可能在您使用更高版本的工具链进行编译时，它开始出错。您检查自己的测试平台，并确认测试已经做到100%的完全覆盖，而且所有测试均未出现任何差错，但是问题仍然顽疾难除。

虽然设计人员极其重视编码和仿真，但是他们对芯片在FGPA中的内部操作却知之甚少，这是情有可原的。因此，不正确的逻辑综合和时序问题（而非逻辑错误）成为大多数逻辑故障的根源。

但是，只要设计人员措施得当，就能轻松编写出能够创建可预测、可靠逻辑的FPGA代码。

在FPGA设计过程中，需要在编译阶段进行逻辑综合与相关时序收敛。而包括I/O单元结构、异步逻辑和时序约束等众多方面，都会对编译进程产生巨大影响，致使其每一轮都会在工具链中产生不同的结果。为了更好、更快地完成时序收敛，我们来进一步探讨如何消除这些差异。

I/O 单元结构

所有FPGA都具有可实现高度定制的I/O引脚。定制会影响到时序、驱动强度、终端以及许多其它方面。如果您未
明确定义I/O单元结构，则您的工具链往往会采用您预期或者不希望采用的默认结构。如下VHDL代码的目的是采用“sda: inout std_logic;”声明创建一个称为 sda 的双向I/O缓冲器。

tri_state_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
if (enable_in = '1') then
sda <= data_in;
else
data_out <= sda;
sda <= 'Z';
end if;
end if;
END PROCESS tri_state_proc;

当综合工具发现这组代码时，其中缺乏如何实施双向缓冲器的明确指示。因此，工具会做出最合理的猜测。

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实现上述任务的一种方法是，在FPGA的I/O环上采用双向缓冲器（事实上，这是一种理想的实施方式）。另一种选择是采用三态输出缓冲器和输入缓冲器，二者都在查询表 (LUT) 逻辑中实施。最后一种可行方法是，在I/O环上采用三态输出缓冲器，同时在LUT中采用输入缓冲器，这是大多数综合器选用的方法。

这三种方法都可以生成有效逻辑，但是后两种实施方式会在I/O引脚与LUT之间传输信号时产生更长的路由延迟。此外，它们还需要附加的时序约束，以确保时序收敛。FPGA编辑器清晰表明：在图1中，我们的双向I/O有一部分散布在I/O缓冲器之外。

图 1 - FPGA编辑器视图显示了部分双向I/O散布在I/O缓冲器之外

教训是切记不要让综合工具猜测如何实施代码的关键部分。即使综合后的逻辑碰巧达到您的预期，在综合工具进入新版本时情况也有可能发生改变。

应当明确定义您的I/O逻辑和所有关键逻辑。以下VHDL代码显示了如何采用Xilinx® IOBUF原语对I/O缓冲器进行隐含定义。另外需要注意的是，采用相似方式明确定义缓冲器的所有电气特性。

sda_buff: IOBUF
g e n e r i c m a p ( I O S TANDARD =>
"LVCMOS25",
IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE =>
12,
SLEW => "SLOW")
port map(o=> data_out, io=> sda,
i=> data_in, t=> enable_in);

图 2 - 用一个VHDL代码转换明确定义I/O逻辑和关键逻辑，我们已完全在I/O缓冲器内部实施了双向I/O

在图2中，FPGA编辑器明确显示，我们已完全在I/O缓冲器内部实施了双向I/O。

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异步逻辑的劣势异步代码会产生难以约束、仿真及调试的逻辑。异步逻辑往往产生间歇性错误，而且这些错误几乎无法重现。另外，无法生成用于检测异步逻辑所导致的错误的测试平台。

虽然异步逻辑看起来可能容易检测，但是，事实上它经常不经检测；因此，设计人员必须小心异步逻辑在设计中隐藏的许多方面。所有钟控逻辑都需要一个最短建立与保持时间，而且这一点同样适用于触发器的复位输入。以下代码采用异步复位。在此无法为了满足触发器的建立与保持时间需求而应用时序约束。

data_proc : PROCESS (sys_clk,reset)
BEGIN
if (reset = '1') then
data_in <= '0';
elsif rising_edge(sys_clk) then
data_in <= serial_in;
end if;
END PROCESS data_proc;

下列代码采用同步复位。但是，大多数系统的复位信号都可能是按键开关，或是与系统时钟无关的其它信号源。尽管复位信号大部分情况是静态的，而且长期处于断言或解除断言状态，不过其水平仍然会有所变化。相当于系统时钟上升沿，复位解除断言可以违反触发器的建立时间要求，而对此无法约束。

data_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
if (reset = '1') then
data_in <= '0';
else
data_in <= serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;

只要我们明白无法直接将异步信号馈送到我们的同步逻辑中，就很容易解决这个问题。以下代码创建一个称sys_reset 的新复位信号，其已经与我们的系统时钟sys_clk同步化。在异步逻辑采样时会产生亚稳定性问题。我们可以采用与阶梯的前几级进行了‘与’运算的梯形采样降低此问题的发生几率。

data_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
reset_1 <= reset;
reset_2 <= reset_1 and reset;
sys_reset <= reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk) then
if (sys_reset = '1') then
data_in <= '0';
else
data_in <= serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;

至此，假定您已经慎重实现了所有逻辑的同步化。不过，如果您不小心，则您的逻辑很容易与系统时钟脱节。切勿让您的工具链使用系统时钟所用的本地布线资源。那样做的话您就无法约束自己的逻辑。切记要明确定义所有的重要逻辑。

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以下VHDL代码采用赛灵思 BUFG原语强制sys_clk进入驱动低延迟网络(low-skew net) 的专用高扇出缓冲器。

gclk1: BUFG port map (I => sys_clk,O
=> sys_clk_bufg);
data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
reset_1 <= reset;
reset_2 <= reset_1 and reset;
sys_reset <= reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = '1') then
data_in <= '0';
else
data_in <= serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;

某些设计采用单个主时钟的分割版本来处理反序列化数据。以下VHDL代码（nibble_proc进程）举例说明了按系统时钟频率的四分之一采集的数据。

data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
reset_1 <= reset;
reset_2 <= reset_1 and reset;
sys_reset <= reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = '1') then
two_bit_counter <= "00";
divide_by_4 <= '0';
nibble_wide_data <= "0000";
else
two_bit_counter
<= two_bit_counter + 1;
divide_by_4 <= two_bit_counter(0) and
two_bit_counter(1);
nibble_wide_data(0)
<= serial_in;
nibble_wide_data(1)
<= nibble_wide_data(0);
nibble_wide_data(2)
<= nibble_wide_data(1);
nibble_wide_data(3)
<= nibble_wide_data(2);
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;
nibble_proc : PROCESS (divide_by_4)
BEGIN
if rising_edge(divide_by_4) then
if (sys_reset = '1') then
nibble_data_in <= "0000";
else
nibble_data_in
<= nibble_wide_data;
end if;
end if;
END PROCESS nibble_proc;

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看起来好像一切都已经同步化，但是nibble_proc采用乘积项divide_by_4对来自时钟域sys_clk_bufg的 nibble_wide_data进行采样。由于路由延迟，divde_by_4与sys_clk_bufg之间并无明确的相位关系。将divide_by_4转移到BUFG也于事无补，因为此进程会产生路由延迟。解决方法是将nibble_proc保持在sys_clk_bufg域，并且采用divide_by_4作为限定符，如下所示。

nibble_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = '1') then
nibble_data_in <= "0000";
elsif (divide_by_4 = '1') then
nibble_data_in
<= nibble_wide_data;
end if;
end if;
END PROCESS nibble_proc

时序约束的重要性

如果您希望自己的逻辑正确运行，则必须采用正确的时序约束。如果您已经慎重确保代码全部同步且注册了全部I/O，则这些步骤可以显著简化时序收敛。在采用上述代码并且假定系统时钟为100MHz时，则只需四行代码就可以轻松完成时序约束文件，如下所示：

NET sys_clk_bufg TNM_NET =
sys_clk_bufg;
TIMESPEC TS_sys_clk_bufg = PERIOD
sys_clk_bufg 10 ns HIGH 50%;
OFFSET = IN 6 ns BEFORE sys_clk;
OFFSET = OUT 6 ns AFTER sys_clk;

请注意：赛灵思FPGA中I/O注册逻辑的建立与保持时间具有很高的固定性，在一个封装中切勿有太大更改。但是，我们仍然采用它们，主要用作可确保设计符合其系统参数的验证步骤。

三步简单操作

仅需遵循以下三步简单操作，设计人员即可轻松实施可靠的代码。

• 切勿让综合工具猜测您的预期。采用赛灵思原语对所有 I/O 引脚和关键逻辑进行明确定义。确保定义 I/O 引脚的电气特性；
• 确保逻辑 100% 同步，并且让所有逻辑参考主时钟域；
• 应用时序约束确保时序收敛。

只要遵循上述三个步骤，您就能够消除综合与时序导致的差异。扫除这两个主要障碍会让您获得具有100%可靠性的代码。