如何利用FPGA進(jìn)行時(shí)序分析設(shè)計(jì)

　　FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。對(duì)于時(shí)序如何用FPGA來分析與設(shè)計(jì)，本文將詳細(xì)介紹。

　　基本的電子系統(tǒng)如圖 1所示，一般自己的設(shè)計(jì)都需要時(shí)序分析，如圖 1所示的Design，上部分為時(shí)序組合邏輯，下部分只有組合邏輯。而對(duì)其進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)，一般都以時(shí)鐘為參考的，因此一般主要分析上半部分。在進(jìn)行時(shí)序分析之前，需要了解時(shí)序分析的一些基本概念，如時(shí)鐘抖動(dòng)、時(shí)鐘偏斜(Tskew)、建立時(shí)間(Tsu)、保持時(shí)間(Th)等。時(shí)序分析也就是分析每一個(gè)觸發(fā)器(寄存器)是否滿足建立時(shí)間/保持時(shí)間，而時(shí)序的設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是滿足每一個(gè)觸發(fā)器的建立時(shí)間/保持時(shí)間的要求。

　　圖 1 基本的電子系統(tǒng)

　　一、時(shí)鐘抖動(dòng)和時(shí)鐘偏斜

　　1.時(shí)鐘抖動(dòng)

　　時(shí)鐘信號(hào)邊沿變化的不確定時(shí)間稱為時(shí)鐘抖動(dòng)，如圖 2所示。一般情況下的時(shí)序分析是不考慮時(shí)鐘抖動(dòng)，如果考慮時(shí)鐘抖動(dòng)，則建立時(shí)間應(yīng)該是Tsu+T1，保持時(shí)間應(yīng)該是Th+T2。

　　圖 2 時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)序圖

　　2.時(shí)鐘偏斜

　　時(shí)序偏斜分析圖如圖 3所示。時(shí)鐘的分析起點(diǎn)是源寄存器(Reg1)，終點(diǎn)是目標(biāo)寄存器(Reg2)。時(shí)鐘在圖中的結(jié)構(gòu)中傳輸也會(huì)有延遲，時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘源傳輸?shù)皆醇拇嫫鞯难訒r(shí)為Tc2s，傳輸?shù)侥繕?biāo)寄存器的延時(shí)為Tc2d。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)為Tc2s與Tc2d之差，即Tskew=Tc2d-Tc2s。

　　圖 3 時(shí)鐘偏斜時(shí)序圖

　　二、建立時(shí)間和保持時(shí)間

　　建立時(shí)間(Setup Time)常用Tsu表示，指的是在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以前，數(shù)據(jù)和使能信號(hào)穩(wěn)定不變的時(shí)間，如果建立時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被打入觸發(fā)器，使能信號(hào)無效，也就是說在這個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)數(shù)據(jù)的操作時(shí)無效的;保持時(shí)間(Hold Time)常用Th表示，指的是在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以后，數(shù)據(jù)和使能信號(hào)穩(wěn)定不變的時(shí)間，如果保持時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器，對(duì)數(shù)據(jù)的操作同樣是無效的，使能信號(hào)無效。數(shù)據(jù)要能穩(wěn)定傳輸，就必須滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間的關(guān)系，圖 4標(biāo)識(shí)了它們間的關(guān)系。

　　圖 4 建立時(shí)間/操持時(shí)間的概念

　　三、發(fā)送沿和捕獲沿

　　(1)發(fā)送沿(Launch Edge)：前級(jí)寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘沿，是時(shí)序分析的起點(diǎn);

　　(2)捕獲沿(Latch Edge)：后記寄存器捕獲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘沿，是時(shí)序分析的終點(diǎn)。相對(duì)于launch Edge通常為一個(gè)時(shí)鐘周期，但不絕對(duì)，如多周期。

　　“信號(hào)跳變抵達(dá)窗口”：對(duì)latch寄存器來說，從previous時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的Hold Time開始，到current 時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的Setup Time 結(jié)束。

　　“信號(hào)電平采樣窗口”：對(duì)latch寄存器來說，從current時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的Setup Time開始，到current時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的Hold Time結(jié)束。

　　launch寄存器必須保證驅(qū)動(dòng)的信號(hào)跳變到達(dá)latch寄存器的時(shí)刻處于“信號(hào)跳變抵達(dá)窗口”內(nèi)，才能保證不破壞latch寄存器的“信號(hào)電平采樣窗口”。

　　圖 5 Launch Edge和Latch Edge

　　四、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的時(shí)序分析

　　如圖 6所示，為分析建立時(shí)間/保持時(shí)間的基本電路圖。Tclk1為Reg1的時(shí)鐘延時(shí)，Tclk2為Reg2的時(shí)鐘延時(shí)，Tco為Reg1固有延時(shí)，Tdata為Reg1的到Reg2之間組合邏輯的延時(shí)，Tsu為Reg2的建立時(shí)間，Th為Reg2的保持時(shí)間，設(shè)時(shí)鐘clk周期為T，這里分析數(shù)據(jù)的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

　　圖 6 基本電路圖

　　1、建立時(shí)間的分析

　　如圖 7所示，建立時(shí)間的分析是以第一個(gè)launch Edge為基準(zhǔn)，在Latch Edge查看結(jié)果。建立時(shí)間的裕量(T為時(shí)鐘周期)：

　　Setup Stack = (T+Tclk2) – Tsu – (Tclk1+Tco+Tdata)

　　假設(shè)△T = Tclk2-Tclk1，則：

　　Setup Stack = (T+△T) – Tsu – (Tco+Tdata)

　　可見△T<0影響建立時(shí)間，使建立時(shí)間的要求更加苛刻。因此對(duì)于△T盡量避免，采用同步單時(shí)鐘，并且盡量采用全局的時(shí)鐘信號(hào)，這樣△T幾乎為0，,△T的影響幾乎不存在，可以忽略不計(jì)。

　　如果建立時(shí)間的裕量Setup Stack小于0，則不滿足建立時(shí)間，也就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定態(tài)，并通過寄存器傳輸下去。

　　圖 7 建立時(shí)間時(shí)序分析圖

　　2、保持時(shí)間的分析

　　如圖 8所示，保持時(shí)間的分析是以第二個(gè)launch Edge為基準(zhǔn)，在Latch Edge查看結(jié)果。保持時(shí)間的裕量：

　　Hold Stack = (Tclk1+Tco+Tdata) – Tclk2 – Th

　　假設(shè)△T = Tclk2-Tclk1，則：

　　Hold Stack = (Tco+Tdata) – △T – Th

　　可見△T>0影響保持時(shí)間，使保持時(shí)間的要求更加苛刻。。因此對(duì)于△T盡量避免，采用同步單時(shí)鐘，并且盡量采用全局的時(shí)鐘信號(hào)，這樣△T幾乎為0，,△T的影響幾乎不存在，可以忽略不計(jì)。

　　如果保持時(shí)間的裕量Hold Stack小于0，則不滿足保持時(shí)間，也就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定態(tài)，并通過寄存器傳輸下去。

　　圖 8 保持時(shí)間時(shí)序分析圖

　　五、DT6000S項(xiàng)目實(shí)例

　　DT6000S項(xiàng)目上有4路光以太網(wǎng)接口連接到FPGA，由FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)MAC層和解碼IEC61850的SV和GOOSE。以太網(wǎng)PHY通過MII接口和FPGA，因此FPGA與外部的接口有4路MII接口。項(xiàng)目初期是實(shí)現(xiàn)1路光以太網(wǎng)接口，并且驗(yàn)證功能正確之后，但是后期變成的4路光以太網(wǎng)時(shí)，總會(huì)存在1路光以太網(wǎng)通信不正常。經(jīng)過分析得到是FPGA通MII接口和PHY的時(shí)序不滿足。如圖 9所示為MII接口的時(shí)序圖，時(shí)序不滿足分為TX_CLK和RX_CLK。

　　其一是PHY輸出的TX_CLK和FPGA依據(jù)TX_CLK產(chǎn)生的TXD[3:0]&TX_EN延時(shí)大，主要延時(shí)為內(nèi)部邏輯的延時(shí)，PCB延時(shí)小并且一致，導(dǎo)致PHY的TX_CLK的建立時(shí)間不滿足，從而導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

　　其二是PHY輸出的RX_CLK和RXD[3:0]&RX_DV&RX_ER到FPGA內(nèi)部同步觸發(fā)器的延時(shí)之差太大，導(dǎo)致FPGA內(nèi)部同步觸發(fā)器的RX_CLK的建立時(shí)間不滿足，從而導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

　　因此FPGA在綜合時(shí)需要添加約束，使之時(shí)序滿足要求，約束的條件為TXD[3:0]和TX_EN的輸出延時(shí)要少。RX_CLK和RXD[3:0]&RX_DV&RX_ER路徑延時(shí)之差要小。添加約束之后，4路MII接口的光以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信就正常了。

　　圖 9 MII時(shí)序圖

　　這里闡述了時(shí)序分析基礎(chǔ)，說明概念的同時(shí)進(jìn)行了時(shí)序分析，通過時(shí)序分析理解建立時(shí)間和保持時(shí)間。希望大家閱讀本文之后可以對(duì)FPGA時(shí)序分析有進(jìn)一步的了解。