【精品博文】4.3、静态时序分析之——如何计算时序参数

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http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100052092

这一篇文章将通过一个简单的例子来介绍一下如何计算时序参数（Timing Requirements）。

在介绍例子之前，先讲一些基本的东西：一般情况下，在FPGA的设计过程中有三种类型的速度要求。分别是运行速度要求（Timing requirement）、数据传输速率要求（Throughput）以及数据潜伏期（Latency，很多人把他简单的翻译为延时，其实是不恰当的，因为Latency是和Delay有区别的）。

简单的来说，Timing Requirement就是你的设计能跑多快，能够在多高的频率下运行，单位是Hz；Throughout就是平均的数据传输速率，单位是Bps；Latency就是从有效输入数据出现到有效输出数据出现之间的时间（就好比你在按下手机拨号键之后，对方花了多长的时间之后手机上开始响铃，当然，这是一个不太恰当的例子……不过能说明问题就好）。

不知道大家有没有注意过，市面上的ADC（模数转换器）有这样一个现象：精度高的一般转换时间较长，采样速度也低；而精度低一点的，一般转换时间都要短一点，采样速度可以做的比较高。有兴趣的可以去ADI的网站上了解一下，其高速ADC的采样位宽一般是12-16bits，而低速ADC采样位宽有的则高达24bits！！

ADI官网：http://www.analog.com/cn/products/

这是因为，在高速ADC的设计中，普遍采用了流水线技术（Pipelining），但是与此同时，却增加了器件的Latency（从ADC的参数上来看，就是转换时间），同时也限制了采样精度的提高。

在FPGA设计过程中，也是同样的道理，高的Throughout往往意味着要采用更多的Pipeling，同时也带来更多的Latency。而较低的Latency则需要更多的组合路径（Combination Paths），同时将会导致Throughout和时钟频率的降低。

接下来回到正题，也就是这篇博文的标题内容，以一个简单的例子，分析一下如何计算Timing Requirement：

如上图所示，根据图中的信息，我们知道：

|-系统时钟周期：P=30ns

|-组件1（Comp1）：

|-最大输出传播（propagation）延时（Tco）：PDMAXp=18ns

|-最小输出传播延时（Tco）：PDMINp=3ns

|-组件1输入建立时间：TSp=5ns

|-组件1输入保持时间：THp=3ns

|-最大板级传播延时：PDMAXb=2ns

|-最小板级传播延时：PDMINb=1ns

|-时钟差（Clock Skew）：时钟到达FPGA的1ns之后到达组件1（不要在意图中线的长度，哈哈哈）

|-组件1到FPGA的时钟差：Tskew=1ns

根据上面的信息，我们可以计算出FPGA的相关时序参数（Timing Requirement for FPGA），同时给出具体的约束语句写法（以Lattice Preference Language为例）：

|-时钟周期 P=30ns，或者频率为33.33MHz

|-FREQUENCY  PORT  "clk"  33.33MHz

|-输入建立时间（Input Setup）=P-PDMAXp-PDMAXb-Tskew = 30 - 18 - 2 - 1 = 9ns

|-INPUT_SETUP  ALLPORTS  9ns  CLKPORT  "clk"

|-输入保持时间（Input Hold）= PDMINp + PDMINb + Tskew = 3 + 1 + 1 = 5ns

|-INPUT  ALLPORTS  SETUP  9ns  HOLD  3ns  CLKPORT  "clk"

|-输出最大传播延时 = P - TSp - PDMAXb + Tskew = 30 - 5 - 2 + 1 = 24ns

|-CLOCK_TO_OUT  ALLPORTS  24ns  CLKPORT  "clk"

|-输出最小传播延时 = THp - PDMINb + Tskew = 3 - 1 + 1 = 3ns

|-CLOCK_TO_OUT  ALLPORTS  MAX  24ns  MIN  3ns  CLKPORT  "clk"