FPGA静态时序分析——IO口时序(Input Delay /output Delay)

本文详细介绍了FPGA的IO口时序分析,包括输入最大最小延时和输出最大最小延时的计算,以及其在高速系统中的应用。强调了正确的IO口时序约束对确保FPGA与外部器件通信正确的重要性。

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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。其中包括时钟源到FPGA延时和到外部器件延时之差、经过外部器件的数据发送Tco,再加上PCB板上的走线延时。如图1.4所示,为外部器件和FPGA接口时序。

 

图1.4  外部器件和FPGA接口时序

### FPGA 静态时序分析 示例题目与教程 #### 一、理解静态时序分析 (STA) 静态时序分析是一种用于验证设计能否满足指定的时钟频率和其他性能需求的方法[^1]。通过这种技术可以在不运行实际仿真测试的情况下评估电路的最大工作速度并检测潜在的时序违规。 #### 二、FPGAIO 时序约束的重要性 当涉及到外部接口通信时,输入延迟 (`input delay`) 和输出延迟 (`output delay`) 的设置变得至关重要。这些参数定义了信号到达或离开芯片的时间窗,在此期间数据应当稳定以便被正确采样或发送出去。对于整个系统的稳定性而言,确保所有路径都符合既定的标准是非常重要的[^2]。 #### 三、实例讲解:创建简单的 STA 测试案例 为了更好地掌握如何执行有效的静态时序分析,下面提供了一个基于 Vivado 工具链构建的小型项目作为例子: ##### 步骤说明(注意这里不是按照顺序描述) 假设有一个简单的设计文件 `top_module.v` ,其中包含了几个模块之间的连接逻辑。现在要对其进行基本的时序检查操作。 ###### 设计准备阶段 编写 Verilog 文件来实现所需的功能,并将其加载到开发环境中。例如: ```verilog module top_module ( input wire clk, input wire rst_n, output reg [7:0] led_out ); // ...其他代码... endmodule ``` ###### 添加必要的时序约束条件 编辑 XDC 文件以加入具体的时钟周期和 I/O 延迟信息。这一步骤非常重要因为它直接影响最终的结果准确性。比如给定一个 50MHz 的全局时钟源,则相应的配置如下所示: ```tcl create_clock -name sys_clk -period 20.000 [get_ports {clk}] set_input_delay -clock sys_clk 3.0 [get_ports {rst_n}] set_output_delay -clock sys_clk 4.0 [get_ports {led_out[*]}] ``` 上述命令指定了默认情况下所有的异步复位线至少提前三个单位时间变化;而 LED 输出端则需在下一个上升沿到来之前四纳秒内准备好新状态。 ###### 运行报告与时序优化建议 利用综合工具生成网表之后就可以调用内置函数来进行全面深入地扫描了。通常会得到一份详细的 PDF 或 HTML 文档形式呈现出来,里面涵盖了诸如最差情况下的路径延迟统计图表等内容供开发者参考调整设计方案直至达到预期目标为止。 ---
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