FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，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、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)鐘抖動和時(shí)鐘偏斜

1.時(shí)鐘抖動

時(shí)鐘信號邊沿變化的不確定時(shí)間稱為時(shí)鐘抖動，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，如果考慮時(shí)鐘抖動，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)中傳輸也會有延遲，時(shí)鐘信號從時(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)鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)和使能信號穩(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，使能信號無效，也就是說在這個(gè)時(shí)鐘周期對數(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)鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)和使能信號穩(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，對數(shù)據(jù)的操作同樣是無效的，使能信號無效。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)：前級寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)對應(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)對應(yīng)的時(shí)鐘沿，是時(shí)序分析的終點(diǎn)。相對于launch Edge通常為一個(gè)時(shí)鐘周期，但不絕對，如多周期。

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

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

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

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+T_clk2) – Tsu – (T_clk1+T_co+T_data)

假設(shè)△T = T_clk2-T_clk1，則：

Setup Stack = (T+△T) – T_su – (T_co+T_data)

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，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，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FPGA時(shí)序分析有進(jìn)一步的了解。