FPGA时序约束中常用公式推导

wyzhou

在fpga工程中加入时序约束的目的：
1、给quartus II 提出时序要求；
2、quartus II 在布局布线时会尽量优先去满足给出的时序要求；
3、STA静态时序分析工具根据你提出的约束去判断时序是否满足的标准。
举个形象的比喻：就好比我要让代工厂（类比quartus ii）给我加工一批零件，要求长宽高为10x10x10cm，误差不超过1mm(类比时序约束条件)。代工厂按要求（即约束条件）开始进行生产加工，工厂为了不返工，肯定会尽量生产出达到我要求的零件。当加工完成后，质检员（类比STA静态时序分析工具）按我给出的要求进行检验看是否满足要求。要是工厂想尽了各种办法也不能达到我给出的要求，那么就是我给出的要求太高了（即时序约束中的过约束），要是我给出的要求太低（比如说加工成方形就行，而没有指出长宽高），那么工厂很容易就生产出来了，但这并不是我想要的，这是由于我给出的约束太松 即相当于时序里的 欠约束。
quartus ii里的静态时序分析（STA）：是套用特定的时序模型，针对特定电路分析其是否违反设计者给定的时序限制。说白了就是检查fpga内部所有寄存器的建立时间保持时间是否满足spec给定的要求。
1、Data Arrival Time 数据到达目的寄存器REG2时间

2、Clock Arrival Time 时钟到达目的寄存器REG2时间

3、Data Required Time 数据需求时间-Setup
指数据需要在需求时间前到达目的寄存器，否则不满足建立时间关系，不能被正确采样。
最大延迟是防止数据来的太慢 ，当时钟沿已经到来时，数据还没到，这样就不能在上升沿被寄存器正确采样。

4、Data Required Time 数据需求时间-Hold
指数据在时钟锁存沿到达后，必须保持一段稳定的时间，使数据被正确采样。做最小延迟约束是为了防止数据传输过快，使得寄存器还在锁存上一个数据时，下一个数据就来了，使得上次锁存数据发生错误。
所以 保持时间必须小于 tco+tlogic(组合逻辑延时)，这里 tco+tlogic(组合逻辑延时)就是数据从源寄存器到目的寄存器的时间。

5、时序裕量slack
Setup Slack=Setup Required Time - Data Arrival Time
Hold Slack=Data Arrival Time - Hold Required Time
时序裕量为正 表示时序满足时序约束条件，为负，时序不满足。
6、Input Delay 输入最大最小延迟
Input Delay=数据路径延迟-时钟路径延迟+utco(外部器件)
输入延迟 Input Delay=Data Arrival Time-Clock Arrival Time
=launch Edge+Tclk1+uTco+Tdata-latch edge-Tclk2

数据相对于时钟到达目的寄存器的时间差值。即数据和时钟从同一时间点（launch）开始，到达目的寄存REG2的时间差。
数据到达REG2走的路径延时是：时钟从launch开始 经过Tclk1的延迟到达REG1，REG1在时钟沿来之后，经过Tco的时间把数据送出REG1，然后数据再经过路径延迟Tdata 到达REG2的数据管脚。
时钟到达REG2走的路径延时是：时钟也从同一时间点（launch）开始，经过路径延迟Tclk2就到达REG2的时钟管脚。
输入最大延迟是约束为了满足寄存器的建立时间，输入最小延迟是位了满足寄存器的保持时间。
Input Maximum Delay=Data Arrival Time最大值-Clock Arrival Time 最小值
“fpga-centric”Input Maximum Delay<=tclk-tsu(fpga)

Input Minimum Delay=Data Arrival Time最小值-Clock Arrival Time 最大值
“fpga-centric” Input Minimum Delay>=th(fpga)

7、output Delay 输出最大最小延迟
output Maximum Delay=外部器件tsu+数据路径最大延迟-时钟路径最小延迟

output Minimum Delay=外部器件th+数据路径最小延迟-时钟路径最大延迟

8、Fmax

指设计能运行的最高频率，即周期为最小时，频率最大
当Setup Slack=0时，系统刚好满足建立时间，此时周期为最小值。
period=tco+data_delay+tsu-tskew
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