【转】说说Timing这回事

Intro

问：一个FPGA设计项目需要用哪些评判标准来检验？

1. 功能正确；
2. 时序收敛；
3. 资源消耗少。

时序收敛，即Timing Closure，意思是使设计的各项时序指标能满足设计前所制定要求。因此，整个过程分为两部分：

1. 制定时序要求
2. 满足时序要求

Timing Constraints Classes

制定时序要求通常是由整个系统电路的外部环境来决定的，比如：

• 整个电路系统提供给FPGA的时钟速度为多快
• FPGA输入数据是同步信号还是异步信号以及它的频率
• FPGA输出数据所需的频率
• 输入/输出数据与时钟的相位关系

总结以上各种需求情况，得出FPGA芯片对外的三种时序约束：

• Period（时钟周期约束）：约束用同一时钟驱动的寄存器（或同步器件）所能使用的最低时钟频率来保证FPGA内部同步信号的采样时间与保持时间。
• Offset：约束用时钟采样数据（offset in）或用时钟打出数据（offset out）时时钟与数据的相位差来保证FPGA采样数据的建立时间与下一级芯片得到数据的采样时间。
• Pad to Pad：当输入数据进入FPGA后没有经过任何同步器件（即由时钟驱动的器件如寄存器、BRAM等），只经过组合逻辑后就输出片外时，Pad to Pad的From…To..约束用以保证内部的延迟时间。

有了以上三种约束类型，就可以描述外界的任何可能条件，并清楚的对最终设计需要满足的时序要求作出说明，FPGA实现工具就会依据此要求进行布局布线，并试图满足要求。Xilinx有许多文档对怎样书写时序约束进行了说明。在此要强调的一点是：时序约束首先是对外界环境的一个反映，其次才是对布局布线工具的要求。时序约束向工具说明上游器件所给的信号是怎样的，下游器件又要求怎样的输入，FPGA实现工具才好依照此标准来综合、布局、布线，时序收敛的设计才可能在真正的电路环境中正常工作。

Timing Constraint File

这里有一个误区需要澄清：多数人认为Timing约束是写在UCF文件中的，其实UCF中的Timing约束只有在布局布线过程中才起作用。为了达到最好的时序性能，我们应该从综合开始就使用约束。不管是Xilinx XST，还是Synplify或者其他综合工具都可以添加时序约束。在综合过程就添加时序约束可以使综合器努力综合出合适的网表，这样在布局布线时就更容易满足时序要求了。

Debug

设计时序不收敛通常有以下的现象：

• par报告布线完成，但是有timing error；
• par报告由于不可能达到时序收敛而停止布局布线；
• Timing Analyzer报告显示设计的timing score不为0；
• 实际电路板上给定时钟速率FPGA工作不正常，降低时钟速率FPGA工作正常

如果降低时钟速率能让FPGA工作正常，而Timing报告又没有显示时序错误，那么有足够的理由怀疑时序约束没有完全约束到所有片内路径，需要仔细研究并完整约束整个设计。

那么设计中的Timing Error我们该怎么解决呢？最简单的，两眼一抹黑，让工具解决：把map, par等工具的effor level提到最高，但通常情况下对结果的提升是不明显的。我们需要有选择地针对不同的情况使用不同的方法。以下来分析几种常见的情况：

Timing报告显示某一段net走线延时特别长

通过在FPGA Cross Probing中找到这根net。如果输入输出距离的确比较长，那么是由于Place问题造成的，要解决Place问题，需要检查为什么工具会把两个LUT/FF放得那么远，是相关的逻辑布局问题，还是因为引脚锁定导致无法移动逻辑的问题。

常用的解决方法可以对前级寄存器做复制寄存器的操作。参考Xilinx AR9410。

如果是因为输入/输出端连接的寄存器被Pack到IOB中导致寄存器无法移动，那么可以使用IOB=false约束将寄存器放在Slice Logic中。

Timing报告显示逻辑层次比较多，而这些层次中没有延时特别长的

如果是LUT到LUT的层次太多，那么可以先使用XST的register balancing功能。如果还是无法满足，可能需要手动调整组合逻辑，在中间插一级寄存器，并修改其他相关的代码，使得相关数据的latency一致。其他方法参考Xilinx AR9417。如果是进位链太长，那么就要考虑使用两个小一点的计数器/加法器级联。当考虑到进位逻辑是纵向排列的，当超出一列时，进位会导致延时变长很多时，更需要注意进位链的长度。

参考Xilinx AR9412。

Hold Violation

Hold Violation通常都是由Gated Clock引起。检查设计中没有使用门控时钟。门控时钟通常会由计数器分频产生。尽量都使用FPGA提供的时钟资源，尽量使用DCM做deskew。

Offset约束不满足

首先必须保证offset写得是正确的。

然后保证输入/输出数据一进FPGA就用寄存器打一拍，中间不要加组合逻辑。寄存器Pack到IOB中能最大限度得保证Offset约束被满足。（同理，如上所述，不把寄存器放在IOB中将有利于Period约束。）

如果还是满足不了，可能需要调整一下时钟和数据的相位。可以使用DCM Phase Shift调整时钟相位或IDELAY调整数据相位。

在制定Pinout时可以有意地将一组总线按内部IOB的位置排列，低有效位在下方，高有效位在上方，而不是按外部Pinout的位置排列。

如果以上方法都已经使用并且离目标还差一点点，那么可以试图使用工具的某些属性，比如：

map 
  * Timing Driven Packing
  * Effort Level, Extra Effort
  * Global Optimization
  * Allow Logic Optimize Across Hierarchy
  * Combinational Logic Optimization
  * Cost Table
par 
  * Effort Level
  * Extra Effort

也可以使用MPPR或Xplorer跑多次实现挑最好的结果。

如果所有的尝试都无法满足先前制定的时序目标，那么可能是时候重新考虑一下目标是否合理了。