FPGA 时序收敛

2011-02-18 12:18:20来源: 互联网

一流设计让您高枕无忧。
作者:Nelson Lau
思博伦通信公司,首席硬件工程师   电子邮件:nelson.lau@spirent.com

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;


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。

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。

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。

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

generic map (IOSTANDARD => "LVCMOS25",
IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE => 12,
SLEW => "SLOW")

port map(o=> data_out, io=> sda,
i=> data_in, t=> enable_in);

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。

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为 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。

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;

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。

关键字:时序  时序收敛

编辑:小来 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0218/article_1848.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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