如何有效地管理FPGA設(shè)計(jì)中的時(shí)序問題

一、摘要

    從簡單SRAM接口到高速同步接口，TimingDesigner軟件允許設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)流程的初期就判斷出潛在的時(shí)序問題，盡最大可能在第一時(shí)間解決時(shí)序問題。在設(shè)計(jì)過程的早期檢測到時(shí)序問題，不僅節(jié)省時(shí)間，而且可以更容易的實(shí)施設(shè)計(jì)方案。美國EMA公司的設(shè)計(jì)自動化工具--TimingDesigner，允許創(chuàng)建交互式時(shí)序圖來獲取接口規(guī)范，分析組件接口時(shí)序的特點(diǎn)，在項(xiàng)目工程師團(tuán)隊(duì)中溝通設(shè)計(jì)要求。

二、導(dǎo)言

    FPGA的設(shè)計(jì)與高速接口技術(shù)可以幫助你滿足今天的市場要求，但也提出了一些有趣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了確保存儲器接口的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，在超過200兆赫茲以上，進(jìn)行時(shí)序分析將發(fā)揮更突出的作用，以識別和解決系統(tǒng)運(yùn)行的問題。在這些頻率內(nèi)，最重要的是創(chuàng)建和控制時(shí)序空余，留下最小的空余，以確保數(shù)據(jù)采集和演示窗口的準(zhǔn)確。更快的邊緣速率同時(shí)也放大物理設(shè)計(jì)的影響，造成信號完整性問題，對此則需要更多的沉降時(shí)間及縮小時(shí)序空余。

    FPGA器件現(xiàn)在還包括某些先進(jìn)的功能，如支持帶有I/O單元接口的雙通道數(shù)據(jù) (DDR)和板上鎖相環(huán)(PLL)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確時(shí)鐘控制等等。這些在FPGA技術(shù)中的高級功能均提供先進(jìn)的接口模塊，從而有助于減少界面設(shè)計(jì)，再加上 TimingDesigner軟件的獨(dú)特能力，在最短的時(shí)序中提供最準(zhǔn)確、有力的解決方案。本文主要探討了DDR型存儲器接口設(shè)計(jì)中必要的時(shí)鐘偏移及數(shù)據(jù)采集的時(shí)序空余。

圖1：TimingDesigner軟件便于捕獲設(shè)計(jì)特點(diǎn)的圖形界面窗口

三、DDR/QDR存儲器接口的設(shè)計(jì)問題

    DDR或四倍數(shù)據(jù)速率(QDR)存儲設(shè)備可以提供和接受兩倍于器件時(shí)鐘頻率的源同步數(shù)據(jù)，這意味著數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升緣和下降緣傳輸。此外，需要捕捉時(shí)鐘偏移和進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，以確保適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘與數(shù)據(jù)關(guān)系。

    如前所述，現(xiàn)在一些FPGA裝置包括DDR接口的I/O單元和板上的PLL網(wǎng)絡(luò)。這意味著，你必須有一個(gè)方式來控制模塊的準(zhǔn)確和可靠。為了說明這一點(diǎn)，讓我們來讀取QDR II SRAM源同步接口的設(shè)計(jì)要求看看實(shí)例。

    在同步存儲器系統(tǒng)例如QDR SRAM中，數(shù)據(jù)是與時(shí)鐘同步的，所以存儲器數(shù)據(jù)的相位必須旋轉(zhuǎn)90度。這種相位旋轉(zhuǎn)通常在有效數(shù)據(jù)窗口中進(jìn)行時(shí)鐘中心調(diào)整，這是QDR實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集的一個(gè)重要設(shè)計(jì)特點(diǎn)(見下文圖2)。如果要改變時(shí)鐘中心，我們可以通過對板上FPGA的PLL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單的延時(shí)時(shí)鐘信號來達(dá)到。

圖2：中心對齊的時(shí)鐘/數(shù)據(jù)關(guān)系

    獲取數(shù)據(jù)

    延遲時(shí)鐘信號可以實(shí)現(xiàn)中心對齊以避免各種溫度變化和其他類似的設(shè)計(jì)影響，可能會對時(shí)鐘或數(shù)據(jù)方面帶來一些影響，但不會很大，但違背了接收存儲器的建立或保持時(shí)序的要求。在理論上，對于大部分器件，中心對齊的時(shí)鐘邊緣將最大限度地建立和保持時(shí)序，留出足夠的安全空余。然而，除非建立的需求合適于保持的需求，時(shí)鐘信號的中心對齊將提供更多的時(shí)序空余。

    理想的解決辦法是為器件的建立和保持提供一個(gè)最大的安全空余，可以通過轉(zhuǎn)化平衡空余，為二者都提供相同的安全空余。為了平衡空余，我們?yōu)榻邮掌骷_定最低的有效數(shù)據(jù)窗口，在實(shí)際有效數(shù)據(jù)窗口的中心窗內(nèi)可以給我們的存儲器提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

    利用接收器件最小的建立和保持時(shí)間，我們可以利用下面的公式確定最小的"安全"的有效數(shù)據(jù)窗口：

    最小創(chuàng)建時(shí)間+最低保持時(shí)間=最低有效數(shù)據(jù)窗口

    如圖3所示，在存儲器器件中可以看出，實(shí)際結(jié)果是在有效數(shù)據(jù)窗口中間。為了確保獲取數(shù)據(jù)，總線必須在接收器最小的有效數(shù)據(jù)窗口外的"安全"區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的關(guān)系，信號設(shè)計(jì)在任一區(qū)域內(nèi)，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，我們確保盡可能多的安全空余。

圖3：平衡實(shí)際有效數(shù)據(jù)窗口中的最小有效數(shù)據(jù)窗口

    實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘偏移

    源同步時(shí)鐘的相位偏移將有效地改變存儲控制器接收寄存器的最小有效數(shù)據(jù)窗口，因此將形成平衡有效數(shù)據(jù)窗口。時(shí)鐘偏移調(diào)整是FPGA裝置中PLL器件的一個(gè)組成部分。要確定偏移的值，我們必須考慮到影響信號的布線延遲和任何外部延遲。

    首先，我們使用TimingDesigner軟件通過存儲器數(shù)據(jù)表為QDR SRAM創(chuàng)造一個(gè)圖表(圖4)。我們利用此圖確定存儲器與有效數(shù)據(jù)窗口中的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號時(shí)序的關(guān)系。目的是精確定義存儲器的信號關(guān)系，并在PCB到FPGA的設(shè)計(jì)中傳遞這種關(guān)系。

圖4：QDR存儲器讀取時(shí)序圖-MT54W1MH18J

    從圖4可以看出在FPGA的管腳上，PCB傳播延遲與時(shí)鐘(CQ_FPGA)和數(shù)據(jù)(Q_FPGA)信號間的關(guān)系。在TimingDesigner軟件的動態(tài)鏈接參數(shù)表中使用單獨(dú)的變量可以輕松地獲得PCB板的延時(shí)及延遲值對相關(guān)的信號的影響?，F(xiàn)在，我們可以在適當(dāng)?shù)腇PGA裝置中，為獲取時(shí)鐘而得到內(nèi)部布線延遲和確定正確的相位偏移。

四、FPGA設(shè)計(jì)要素

    大多數(shù)的FPGA利用約束驅(qū)動進(jìn)行布局和布線。時(shí)序約束為關(guān)鍵信號提供時(shí)序信息。 TimingDesigner軟件提供獨(dú)特的時(shí)序參考圖如測量和計(jì)算變量結(jié)果，從行內(nèi)文字到文件都支持廠商特定的約束語法。例如，在一個(gè)FPGA約束布線中，對符合其動態(tài)文字窗口的語法要求中，可以通過時(shí)序圖中為特定信號計(jì)算延遲誤差。然后，我們可以將這些語法通過一個(gè)文本文件導(dǎo)入到FPGA的開發(fā)系統(tǒng)中，或者我們可以直接將數(shù)值復(fù)制到FPGA的約束編輯器中。

    對于高速存儲器接口設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲器被放置在FPGA裝置I/O單元的附近，以盡量減少布線延時(shí)的影響。該I/O單元只有一個(gè)布線路徑為輸入數(shù)據(jù)信號，因此在數(shù)據(jù)總線的每一部分都存在數(shù)據(jù)路徑延遲。FPGA的PLL也被用來進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘控制，并通常有幾種可能的從輸入焊盤到捕捉寄存器的路徑。制造商通過控制特定的屬性，使PLL的特點(diǎn)包括相位偏移，相乘，或相除等因素，無論是原始示例的設(shè)計(jì)代碼或約束都可以帶入模塊。因此，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)路徑的布線和延誤必須確定，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘相位偏移。

圖5：TimingDesigner軟件為FPGA設(shè)計(jì)流程提供直觀的界面

    在FPGA的最初布局和布線完成后，時(shí)序報(bào)告提供數(shù)據(jù)總線中每個(gè)時(shí)序的詳細(xì)延時(shí)信息。如果有必要，可為FPGA開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵信號設(shè)定延時(shí)路徑，TimingDesigner軟件可以提取相關(guān)信息和利用圖表更新。在這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例中，我們需要輸入數(shù)據(jù)總線和相關(guān)時(shí)鐘信號的時(shí)序報(bào)告。

    導(dǎo)入布線后的時(shí)序到TimingDesigner軟件中

    導(dǎo)入FPGA的時(shí)序報(bào)告信息，我們需要規(guī)劃最壞的情況從而確定在圖表 (Q_FPGA)中相關(guān)的波形圖。信號設(shè)計(jì)規(guī)范定義在同一個(gè)時(shí)序圖表中不能帶有同名的波形圖。通過規(guī)劃端口， TimingDesigner軟件可以過濾時(shí)序報(bào)告并提取有用的信息。這些規(guī)劃被存儲在圖表文件內(nèi)并可預(yù)先解決的布局和布線問題。

    提供可視化的捕捉寄存器

    從導(dǎo)入時(shí)序報(bào)告文件開始， TimingDesigner軟件為關(guān)鍵信號延時(shí)創(chuàng)建變量，并在電子數(shù)據(jù)表中規(guī)劃和分配這些信號端口。變量過去是用來在時(shí)序圖中更新時(shí)鐘與數(shù)據(jù)關(guān)系。現(xiàn)在，可確定在FPGA器件內(nèi)捕捉寄存器中的邊緣關(guān)系。

    內(nèi)部寄存器建立和保持是從時(shí)序報(bào)告和相關(guān)的約束中提取所需的時(shí)序。下一步，在時(shí)序圖表中添加另外兩個(gè)信號和偏移時(shí)序報(bào)告中的布線延時(shí)；在捕捉寄存器中添加數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，然后建立和保持FPGA器件適用的約束。用時(shí)鐘邊緣和有效數(shù)據(jù)窗口邊緣的補(bǔ)償確定必要的相位偏移，來平衡設(shè)計(jì)中有效的數(shù)據(jù)窗口。

    平衡有效數(shù)據(jù)窗口

    我們可以使用下列公式來確定PLL時(shí)鐘信號產(chǎn)生的相位偏移：

    1、從設(shè)計(jì)的實(shí)際有效數(shù)據(jù)窗口減少FPGA裝置I/O部分的最小有效數(shù)據(jù)窗口，然后結(jié)果除于2，實(shí)際結(jié)果為這2個(gè)有效數(shù)據(jù)窗口的差額(DlyDVW)。(參考圖3)

    DlyDVW=(DVWdata-DVWdev)/2

    2、I/O寄存器數(shù)據(jù)建立時(shí)間加上DlyDVW值，就確定了相對時(shí)鐘邊緣的有效數(shù)據(jù)窗口(DlyRelSU)。

    DlyRelSU=DlyDVW+IOEsu

    3、最后，從相對建立時(shí)間(上面第2步得到的數(shù)值)，減去時(shí)鐘信號與捕捉寄存器的有效數(shù)據(jù)窗口(從時(shí)序圖測量)之間的補(bǔ)償。

    Clk_offset=DlyRelSU-EdgeOffset

    利用上述公式，我們可以確定FPGA開發(fā)系統(tǒng)中PLL的相位偏移量，并執(zhí)行到下一步的布局和布線。

    驗(yàn)證結(jié)果

    再次導(dǎo)入做過以上修改的布線后時(shí)序文件，TimingDesigner軟件會自動更新需要的數(shù)值，并更正及重新定位I/O單元的時(shí)鐘信號CQ_intPLL。如圖6所示。依靠改變PLL，確切的平衡建立和保持空余將是不可能的。對于這些情況下，應(yīng)該在FPGA裝置的PLL中獲取平衡增量以解決這個(gè)問題。

圖6：在改變時(shí)鐘和平衡建立及保持空余后，獲取數(shù)據(jù)分析的時(shí)序圖表

五、綜述

    高速設(shè)計(jì)往往有嚴(yán)格的規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌l(fā)布時(shí)間表，所以需要一個(gè)交互式的時(shí)序規(guī)劃和分析工具，來獲得快速和完整的時(shí)序空余，以分析并解決可能影響到最終設(shè)計(jì)成功的因素。本文說明了如何利用TimingDesigner軟件對FPGA設(shè)計(jì)流程進(jìn)行準(zhǔn)確地捕捉和交換時(shí)序信息，以幫助在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中管理時(shí)序空余，并提供可視化的界面驗(yàn)證設(shè)計(jì)，并預(yù)測設(shè)計(jì)性能。今天的FPGA器件產(chǎn)品都帶有多功能的時(shí)鐘配置和豐富的I/O資源，并且?guī)в懈邤?shù)據(jù)傳輸能力，TimingDesigner軟件為高速存儲器如DDR & QDR SRAM提供精確的關(guān)鍵路徑時(shí)序分析功能。