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关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

2018年07月11日 09:37 次阅读

1. FPGA时序的基本概念

FPGA器件的需求取决于系统和上下游(upstream and downstrem)设备。我们的设计需要和其他的devices进行数据的交互,其他的devices可能是FPGA外部的芯片,可能是FPGA内部的硬核。

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

对于FPGA design来说,必须要关注在指定要求下,它能否正常工作。这个正常工作包括同步时序电路的工作频率,以及输入输出设备的时序要求。在FPGA design内部,都是同步时序电路,各处的延时等都能够估计出来,但是FPGA内部并不知道外部的设备的时序关系。所以,TIming constraints包括

输入路径(Input paths )

寄存器-寄存器路径(Register-to-register paths )

输出路径(Output paths )

例外(Path specific excepTIons )

这正好对应了上图中三个部分,Path specific excepTIons 暂时不提。

Input paths对应的是OFFSET IN约束,即输入数据和时钟之间的相位关系。针对不同的数据输入方式(系统同步和源同步,SDR和DDR)有不同的分析结果。

Register-to-register paths 对应的是整个FPGA design的工作时钟。如果只有一个时钟,那么只需要指定输入的频率即可。如果有多个时钟,这些时钟是通过DCM,MMCM,PLL生成的,那么显然ISE知道这些时钟之间的频率、相位关系,所以也不需要我们指定。如果这些不同的时钟是通过不同的引脚输入的,ISE不知道其相位关系,所以指定其中一个为主时钟,需要指定其间的相位关系。

Output paths对应的是OFFSET OUT 约束,和OFFSET IN约束很类似,不过方向相反。

2.输入时序约束

The input TIming constraints cover the data path from the external pin or pad of the package of the  FPGA device to the internal synchronous element or register that captures that data.

输入时序约束控制外部引脚到内部模块的路径。采用OFFSET IN来指出输入时序约束。也就是说OFFSET IN定义了时钟沿河被采集数据的关系(相位)。这里我们关心两类不同的输入方式,系统同步输入和源同步输入。(对于SDR和DDR,即单数据速率和双数据速率而言,区别只在于一个时钟周期的采样次数,不做说明)

System Synchronous inputs

系统同步输入,指由同一时钟传输和捕获数据,如下图所示。

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

上图可以看出,FPGA和输入源设备是同源的,共用一个系统时钟。这一个系统时钟在源设备触发输出数据,同时还作为FPGA的时钟接收输入的数据。因此源设备只需要提供输入的数据就可以了。

Source synchronous inputs

源同步如下图所示(这里是DDR,同时在上升沿和下降沿采样)

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

源同步和系统同步的最大区别在于源设备(Source Device)在输出数据的同时,输出了一路和数据同步的时钟。FPGA采用这一路时钟来进行数据的采样。

这两种输入方式看起来有很大的差别,但是OFFSET IN约束的写法是一致的,后文将详细明。

3.寄存器-寄存器的时序约束

寄存器-寄存器的约束,在同步时序电路中,就是周期的约束。对于完全采用一个时钟的电路而言,对这一个clk指定周期约束即可。但是如果采用了多个时钟,那么情况就复杂了。多个时钟中的“多个”,可能由DCM等倍/分频得到,也有可能FPGA外部就引入了两个时钟信号,还有可能是其他情况。这里Xilinx将其分成了以下几类

自动相关同步时钟域

手动相关同步时钟域

异步时钟域

自动相关同步时钟域(DLL,DCM,PLL,MMCM)

因为它是自动的,从字面意思上看就是自动分析。当我们例化了一个DCM,DCM的输入输出信号之间的关系就已近确定了,譬如频率关系和相位关系。当指定了DCM输入时钟的频率和相关信息之后,再去指定输出的相对关系就有画蛇添足的感觉了,因为这些关系以及在生成DCM的时候确定了。对于PLL,MMCM来说也是一样的。

手动相关同步时钟域

对应上文的“自动”,这里的“手动”指需要人为指定时钟之间的关系。在什么情况下,ISE套件无法知道时钟之间的关系?如果两组时钟都是由FPGA外部引入的,那么它们之间的相位关系是未知的,需要认为指定。时钟之间的相位关系都是相对的,因此这个过程需要指定一个主时钟,之后定义其他时钟和主时钟之间的相对相位关系。

NET “PrimaryClock” TNM_NET = “TNM_Primary”;

NET “RelatedClock” TNM_NET = “TNM_Related”;

TIMESPEC “TS_primary” = PERIOD “TNM_Primary” PeriodValue HIGH HighValue%;

TIMESPEC TS_related” = PERIOD “TNM_Related” TS_Primary_relation PHASE value;

异步时钟域

xilinx无法分析,具体参考ug612。

4.输出时序约束

输出就是输入的逆,因此分析的过程是类似的,分类也是类似的。针对时钟的不同,有系统同步和源同步两种。此处不再详细说明。

系统同步SDR

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

源同步DDR(一般来说不给约束就可以)

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解

5. 总结

时序收敛的目的是让FPGA design 按预设的逻辑正常的工作。

为了使其正常工作,需要考虑至少三处:FPGA内部的寄存器-寄存器时序要求,FPGA输入数据的时序要求,FPGA输出信号的要求。

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Xilinx FPGA 可提供卓越的数字信号处理 (DSP) 性能,能够满足音频处理、接口、压缩、嵌...

发表于 2018-06-22 14:57 89次阅读
Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

感应式磁力仪基于法拉第电磁感应原理,用于探测近地空间的低频交变磁场[1],它通常自带标准信号源,用于...

发表于 2018-06-22 14:55 342次阅读
关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

分布式算法是一项重要的FPGA技术

式中:xb(n) 表示第n个数据的第b位。由于x(n)为有限位数据,且xb(n)的取值为[0,1],...

发表于 2018-06-22 14:53 507次阅读
分布式算法是一项重要的FPGA技术

关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

正交频分复用(OFDM)由于具有抗多径衰落,频谱利用率高等特点,因而被广泛用于无线通信系统中。但是由...

发表于 2018-06-22 14:51 414次阅读
关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

背景 微控制器作为目前嵌入式系统设计的主力军在各行各业得到了广泛的应用,但随着物联网、智能硬件、VR...

发表于 2018-06-22 11:35 108次阅读
获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

基于FPGA的异步FIFO的实现

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊基于FPGA的异步FIFO的实现。 一、FIFO简介...

发表于 2018-06-21 11:15 997次阅读
基于FPGA的异步FIFO的实现

基于单片机对FPGA进行编程配置

本文实现了基于遗传算法的硬件演化过程。通过Mcu随机产生种群,选择好的基因进行交叉变异产生后代,然...

发表于 2018-06-21 10:45 180次阅读
基于单片机对FPGA进行编程配置

揭秘造芯黑马的神秘面纱

如果说目前高端集成电路的落后现状是因为我国相关产业起步晚、积累少导致的,对于如今再次兴起的人工智能浪...

发表于 2018-06-21 08:02 669次阅读
揭秘造芯黑马的神秘面纱

FPGA和CPU如何搭配?

如下图,FPGA作为协处理器,CPU把指令写入内存,FPGA从内存读取指令执行,并把计算结果写入内存...

发表于 2018-06-20 15:17 566次阅读
FPGA和CPU如何搭配?

FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

设计背景: 我们从开始学习 FPGA。到现在也慢慢的学到了血多的东西,那么我们就应该慢慢的去学习深一...

发表于 2018-06-20 10:41 1053次阅读
FPGA学习系列:21. 自动售货机的设计

关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...

以2048点为例,根据理论值计算,计算一次2048点的IFFT的时间应为130us。在采用流水线的方...

发表于 2018-06-20 09:05 728次阅读
关于FFT硬件实现,设计中RAM输出端为何没有使...

关于PIC和FPGA的区别及优缺点总结

FPGA是逻辑门器件,可以配置成为并行逻辑模块。FPGA最大优点是并行处理。例如构建一百个与非门,F...

发表于 2018-06-19 16:20 649次阅读
关于PIC和FPGA的区别及优缺点总结

增强机器学习能力的“左膀右臂”的GPU、FPGA...

FPGA是帮助公司和研究人员解决问题的芯片。FPGA是一种集成电路,可以编程为多种用途。它有一系列“...

发表于 2018-06-19 15:27 644次阅读
增强机器学习能力的“左膀右臂”的GPU、FPGA...

单片机中按键消抖程序

效率上来说,延时消抖花费时间在无意义延时上,而相对较好的定时轮询还是不可避免的在轮询,而现在这种方式...

发表于 2018-06-19 08:55 635次阅读
单片机中按键消抖程序

简谈FPGA的上电复位

大家好,博主最近有事忙了几天,没有更新,今天正式回来了。那么又到了每日学习的时间了,今天咱们来聊一聊...

发表于 2018-06-18 19:24 1019次阅读
简谈FPGA的上电复位

FPGA学习系列:18. 数码管的设计

设计背景: 数码管是一种半导体发光 器件 ,其基本单元是发光二极管。 数码管在我们的许多设计中都又用...

发表于 2018-06-18 19:24 1002次阅读
FPGA学习系列:18. 数码管的设计

FPGA学习系列:19. rom到数码管显示设计

设计背景: rom是读写的的静态存储单元,在我们的设计中我们会经常用到,数码管模块同样的大大小小的设...

发表于 2018-06-18 19:24 891次阅读
FPGA学习系列:19. rom到数码管显示设计

FPGA学习系列:20. ram控制器的设计(调...

设计背景: 随机存取存储器 (random access memory,RAM)又称作随机存储器,是...

发表于 2018-06-18 19:24 1076次阅读
FPGA学习系列:20. ram控制器的设计(调...