FPGA的设计艺术（5）STA实战之时钟偏斜对建立保持时间的影响以及时序报告分析

STA回顾

70年代的时序是通过Spice仿真执行的。80年代的时序包括在Verilog仿真中，以确定设计是否足够快。两种方法都存在两个问题（动态时序）：
1）分析仅与仿真一样–仅在仿真执行的情况下才发现问题
2）逻辑仿真慢5到10倍

静态时序更全面，通过计算设计中每个可能逻辑路径的延迟。最坏情况下的路径确定最大频率。

更多STA的基本问题，可以参考：

FPGA的设计艺术（4）STA实战之不同时序路径的建立保持时间计算

FPGA的设计艺术（3）静态时序分析

STA基本参数回顾

flop to flop

Setup Timing：Setup Timing的定义是在时钟有效沿到达之前数据需要保持稳定的时间。它的意义是检查信号是否及时到达。

如：

如果setup timing未能满足要求，则可以从以下方面处理：

• 1）降低时钟频率，
• 2）减少触发器之间的逻辑延迟
• 3）使用更快的触发器，即缩短上图中的时钟到数据输出延迟

关于setup timing的计算，链接：

FPGA的设计艺术（4）STA实战之不同时序路径的建立保持时间计算

已经给出了四种路径下的建立和保持时间要求计算。

下面为了内容的完整性，还是以不同的例子给出理解：

setup timing 要求是数据在捕获时钟沿之前应保持有效（稳定）的时间。计算所需的到达时间（RAT）和实际到达时间。

实际应在要求之前。你的裕量是多少。

上图中的裕量恰好为0.

RAT = T - Tsetup

实际到达时间根据实际情况：

Tcq + Tcomb

这里是理想模型，不考虑时钟偏斜，以及布线延迟，或者时钟偏斜为0，布线延迟在Tcomb中。

Hold Timing：Hold Timing的定义指的是在时钟有效沿之后，数据必须保持的最小时间。

保持时间要求是指数据应保持有效沿的时间后，计算所需的到达时间（RAT）和实际到达时间。实际应在要求之后。你的裕量是多少。

• 仅在时钟偏斜时发生。
• 与时钟周期或频率无关。
• 逻辑延迟通常只是启动触发器的启动延迟。
• 最坏的情况是触发器之间没有逻辑的移位寄存器。

1+3<2+4
数字代表编号

flop to output

寄存器到输出的建立时间要求类似于触发器到触发器，其意义都是检查信号是否及时到达时钟。

如上图，最小时钟周期为：

Tmin = Tcq + Tcomb + Toutdelay + Tsetup

也就意味着，这些参数需满足：

Tclk > Tcq + Tcomb + Toutdelay + Tsetup

如果不满足，即建立时序违规，可通过如下方式解决：
1）降低时钟频率，即增大时钟周期
2）减少逻辑延迟
3）减少外部建立时间要求

input to flop

其含义仍然是检查信号是否及时到达时钟。

不多解释，如果不满足建立时间，即external margin：
可以通过以下方法解决：
1）降低时钟频率
2）减少逻辑延迟
3）改善输入引脚上的到达时间

clock skew对setup以及hold timing的影响

时钟偏斜会伤害或帮助setup时间。
负时钟偏斜会减少整个工作周期，因此会损害建立时间，并且Xilinx的最大频率会忽略正偏，以进行建立时间计算。

如上，负时钟偏斜Tskew，注意Tskew是一个常数。

Tmin -  Tskew = Tcq + Tcomb + Tsetup

可以推论：

Tclk-  Tskew > Tcq + Tcomb + Tsetup

Tcq + Tcomb + Tsetup固定，Tskew越大，Tclk就要去越大。

如下图，实际分析下负时钟偏斜对建立的影响：

Bad for setups 
Case 1 – Slow path 
Launch = 1ns 
Logic  delay = 7ns slow 
Setup  = 1ns 
Hold = 0ns (not used) 
Skew  = 2ns 
Period = 10ns 
Setup Slack = -1 nS 

Good for holds 
Case 2 – Fast path 
Launch = 1ns 
Logic  delay = 0ns fast 
Setup  = 1ns (not used) 
Skew  = +3ns 
Hold Slack = +4 nS 

上面的Launch可认为是Tcq。

下面考虑对保持时间的影响：

保持时间的关系是：

Tcq + Tcomb > Thold + Tskew

可见，保持时间裕量可以为：

Thold slack = Tcq + Tcomb - Tskew - Thold

如果Tskew变大，则裕量越来越少。

• 由于正时钟偏斜，才有可能违反保持时间。
• 糟糕的问题是无法通过减慢时钟来固定预制芯片。（与时钟周期无关）
• 最糟糕的情况是具有低逻辑延迟的路径，例如移位寄存器。

在制造之前通过平衡时钟树或在逻辑中引入缓冲延迟来修复。

下面实际分析一个例子：

Good for setups: 
Launch = 1ns 
Logic   = 9ns 
Setup  = 1ns 
Skew  = 2ns 
Period = 10ns 
Setup Slack = +1nS 

Bad for holds: 
Launch = 1ns 
Logic = 1ns 
Skew  = 3ns 
Hold Slack = -1 nS 

利用时钟偏斜解决时序违规

时钟偏斜理论上可以利用起来解决建立时间违规问题，如下：

保持时间同样调节，通过调节时钟偏斜，如何做呢？
插入时钟buffer。

• 时钟扇出–一个来源–数百万个触发器需要缓冲树以减少扇出和平衡

• 时钟延迟，从时钟引入到到达触发器之间的时间-对于与其他芯片同步很重要

• 时钟偏斜：任何两个触发器之间的时钟有效沿到达差异

• 时钟功耗：时钟速度快，负载最大的最活跃信号很容易消耗20-30％的功率

时序报告

给出Cadence的时序报告页面参考：

脚本（完整综合脚本的一部分）：

define_clock –nam vclk  -period 50 clk 
external_delay –input  0 –clock vclk [find / -prot ports_in/*] 
external_delay –output 0 –clock vclk [find / -prot ports_out/*] 
report timing > timing.rpt 

生成报告。
报告列出了时序路径的延迟，最终存在时序裕量。
再看下图：

时序裕量就是负的，时序违规。
如上图，时钟给到了1GHz：

情况很极端，时序不过很正常。

在参考Xilinx的SP6的时序报告：
SP6的时序约束使用的是UCF文件。
假如给一个如下功能的逻辑：

如下为UCF文件截图：

时序约束，周期约束为100MHz。
综合后，查看时序报告：

可见，裕量充足。
如果约束时钟周期为1GHz，则：

时序裕量不足，差很远。

最后想说的是，可以通过综合工具提供的时序分析报告来查看，哪条路径的时序不满足需求，之后通过各种方式来解决时序违规，或更改设计，减小延迟，或减小时钟频率，大致如此。
上面还说了，可以通过改进时钟偏斜，这都是工具的事情，人工不用插手。还说了，使用更快的触发器，这个选定了器件，速率就定了，一般也不用插手。