FPGA学习_时序分析

文章目录

• 前言
• 一、组合逻辑与时序逻辑
• 二、建立时间和保持时间
• 三、建立时间和保持时间

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前言

心中有电路，下笔自然神！！！

一、组合逻辑与时序逻辑

1. 组合逻辑：没有时钟控制的数字电路，代码里的判断逻辑都是组合逻辑
2. 组合逻辑的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原本的状态无关，逻辑中不牵涉跳变沿信号的处理，组合逻辑的verilog描述方式有两种：
   （1）always @（电平敏感信号列表）
   always模块的敏感列表为所有判断条件信号和输入信号，但一定要注意敏感列表的完整性。在always 模块中可以使用if、case 和for 等各种RTL 关键字结构。由于赋值语句有阻塞赋值和非阻塞赋值两类，建议读者使用阻塞赋值语句"="。always 模块中的信号必须定义为reg 型，不过最终的实现结果中并没有寄存器 。这是由于在组合逻辑电路描述中，将信号定义为reg型，只是为了满足语法要求。
   （2）assign描述的赋值语句。
   信号只能被定义为wire型。
   如以下一条语句：

assign w_flag = r_cnt == 8 && r_en;

第一张图是人为思考画的，第二张为VIVADO综合结果，VIVADO节省了一级组合逻辑。

2. 时序逻辑：有时钟控制的数字电路，有记忆功能，有保存功能，有时钟控制的寄存器都属于时序逻辑电路
   时序逻辑是Verilog HDL 设计中另一类重要应用，其特点为任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关。电路里面有存储元件（各类触发器，在FPGA 芯片结构中只有D 触发器）用于记忆信息，从电路行为上讲，不管输入如何变化，仅当时钟的沿（上升沿或下降沿）到达时，才有可能使输出发生变化。
   与组合逻辑不同的是：
   （1）在描述时序电路的always块中的reg型信号都会被综合成寄存器，这是和组合逻辑电路所不同的。
   （2）时序逻辑中推荐使用非阻塞赋值"<="。
   （3）时序逻辑的敏感信号列表只需要加入所用的时钟触发沿即可，其余所有的输入和条件判断信号都不用加入，这是因为时序逻辑是通过时钟信号的跳变沿来控制的。

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        r_ack_lock <= 'd0;
    else if(r_ack_valid && !w_iic_sda && r_st_cur == P_ST_DADDR1)
        r_ack_lock <= 'd0;
    else if(r_ack_valid && w_iic_sda && r_st_cur == P_ST_DADDR1)
        r_ack_lock <= 'd1;
    else
        r_ack_lock <= r_ack_lock;
end

每一个always块都是由一堆组合逻辑（if-else判断调节都是组合逻辑）和一个时序逻辑构成（代码里只有r_ack_lock 这么一个触发器受时钟控制）

xilinx寄存器（D触发器）原语如下：采用源语设计，EDA软件会严格按照代码进行综合。

   FDCE #(
      .INIT(1'b0) // Initial value of register (1'b0 or 1'b1)
   ) FDCE_inst (
      .Q(Q),      // 1-bit Data output
      .C(C),      // 1-bit Clock input
      .CE(CE),    // 1-bit Clock enable input
      .CLR(CLR),  // 1-bit Asynchronous clear input
      .D(D)       // 1-bit Data input
   );

二、建立时间和保持时间

一旦涉及到时序的内容，这俩者是无法绕开的概念，一定要非常清楚。
建立时间 ：时钟上升沿到来之前，数据必须保持稳定的时间。
保持时间 ：时钟上升沿结束之后，数据必须保持稳定的时间。

建立时间和保持时间就像一个窗口一样，在窗口内数据不可以变化，窗口外则无所谓
只有满足寄存器的建立时间和保持时间，才可以保证数据输出稳定和正确。

时序分析模型：

launch edge ：时序分析的起点，第一级寄存器数据变化时钟沿。
latch edge ：时序分析的终点，数据锁存的时钟沿
Tcycle ：时钟周期
Tclk1 ：时钟到达第一级寄存器的延时
Tclk2 ：时钟到达第二级寄存器的延时
Tskew ：Tskew = Tclk2 - Tclk1，可正可负
Tco ：数据输出时延，即当时钟有效变化沿到达时，数据从寄存器D端（输入端）到Q端（输出端）的时延，该数值一般很小
Tdelay ：数据传输时延，从D1的Q端到D2的D端所需时间，主要为组合逻辑时延和走线时延。
Tsu ：建立时间，时钟上升沿到来之前，数据必须保持稳定的时间。
Thd：保持时间，时钟上升沿结束之后，数据必须保持稳定的时间。

三、建立时间和保持时间

建立时间余量：

数据要求到达时间 = Tskew + Tcycle - Tsu

数据实际到达时间 = Tco + Tdelay
Tsu_slack = 数据要求到达时间 - 数据实际到达时间 = (Tskew + Tcycle - Tsu) - (Tco + Tdelay)

只有当Tsu_slack > 0，电路设计才是稳定的。Tsu_slack 是可控的，当Tsu_slack > 0不满足时：

（1）首先考虑Tdelay，降低组合逻辑时延，如中间多加一级或几级寄存器打拍，这样可以将组合逻辑拆分为几部分，评估组合逻辑时延的方法主要是看组合逻辑级数，xilinx一级组合逻辑时延约为0.4ns，通过代码里的最大组合逻辑可以大概计算出最大的时钟频率。

（2）降低时钟频率
保持时间余量： （图中标注了建立时间要求到达时间和实际到达时间，保持时间的没有标注，但也很好理解）

数据要求到达时间 = Tskew + Thd

数据实际到达时间 = Tco + Tdelay
Thd_slack = 数据实际到达时间 - 数据要求到达时间 = (Tco + Tdelay) - (Tskew + Thd)

只有当Thd_slack> 0，电路设计才是稳定的。Thd_slack是我们没有办法控制的。