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FPGA時序收斂

摘要： 您編寫的代碼是不是雖然在仿真器中表現正常，但是在現場卻斷斷續續出錯？要不然就是有可能在您使用更高版本的工具鏈進行編譯時，它開始出錯。您檢查自己的測試平臺，并確認測試已經做到 100% 的完全覆蓋，而且所有測試均未出現任何差錯，但是問題仍然頑疾難除。

關鍵詞： FPGA 時序收斂 VHDL

Abstract：

Key words :

　　您編寫的代碼是不是雖然在仿真器中表現正常，但是在現場卻斷斷續續出錯？要不然就是有可能在您使用更高版本的工具鏈進行編譯時，它開始出錯。您檢查自己的測試平臺，并確認測試已經做到 100% 的完全覆蓋，而且所有測試均未出現任何差錯，但是問題仍然頑疾難除。

　　雖然設計人員極其重視編碼和仿真，但是他們對芯片在 FGPA 中的內部操作卻知之甚少，這是情有可原的。因此，不正確的邏輯綜合和時序問題（而非邏輯錯誤）成為大多數邏輯故障的根源。

　　但是，只要設計人員措施得當，就能輕松編寫出能夠創建可預測、可靠邏輯的 FPGA 代碼。

　　在 FPGA 設計過程中，需要在編譯階段進行邏輯綜合與相關時序收斂。而包括 I/O 單元結構、異步邏輯和時序約束等眾多方面，都會對編譯進程產生巨大影響，致使其每一輪都會在工具鏈中產生不同的結果。為了更好、更快地完成時序收斂，我們來進一步探討如何消除這些差異。

　　I/O 單元結構

　　所有 FPGA 都具有可實現高度定制的 I/O 引腳。定制會影響到時序、驅動強度、終端以及許多其它方面。如果您未明確定義 I/O 單元結構，則您的工具鏈往往會采用您預期或者不希望采用的默認結構。如下 VHDL 代碼的目的是采用“sda: inout std_logic;”聲明創建一個稱為 sda 的雙向 I/O 緩沖器。

FPGA 編輯器視圖顯示了部分雙向I/O散布在I/O緩沖器之外

圖1 – FPGA 編輯器視圖顯示了部分雙向I/O散布在I/O緩沖器之外。

　　當綜合工具發現這組代碼時，其中缺乏如何實施雙向緩沖器的明確指示。因此，工具會做出最合理的猜測。

　　實現上述任務的一種方法是，在 FPGA 的 I/O 環上采用雙向緩沖器（事實上，這是一種理想的實施方式）。另一種選擇是采用三態輸出緩沖器和輸入緩沖器，二者都在查詢表 (LUT) 邏輯中實施。最后一種可行方法是，在 I/O 環上采用三態輸出緩沖器，同時在 LUT 中采用輸入緩沖器，這是大多數綜合器選用的方法。這三種方法都可以生成有效邏輯，但是后兩種實施方式會在I/O 引腳與 LUT 之間傳輸信號時產生更長的路由延遲。此外，它們還需要附加的時序約束，以確保時序收斂。FPGA 編輯器清晰表明：在圖 1 中，我們的雙向 I/O 有一部分散布在 I/O 緩沖器之外。

　　教訓是切記不要讓綜合工具猜測如何實施代碼的關鍵部分。即使綜合后的邏輯碰巧達到您的預期，在綜合工具進入新版本時情況也有可能發生改變。應當明確定義您的 I/O 邏輯和所有關鍵邏輯。以下 VHDL 代碼顯示了如何采用 Xilinx® IOBUF 原語對 I/O 緩沖器進行隱含定義。另外需要注意的是，采用相似方式明確定義緩沖器的所有電氣特性。

　　在圖 2 中，FPGA 編輯器明確顯示，我們已完全在 I/O 緩沖器內部實施了雙向 I/O。

　　異步邏輯的劣勢

　　異步代碼會產生難以約束、仿真及調試的邏輯。異步邏輯往往產生間歇性錯誤，而且這些錯誤幾乎無法重現。另外，無法生成用于檢測異步邏輯所導致的錯誤的測試平臺。

　　雖然異步邏輯看起來可能容易檢測，但是，事實上它經常不經檢測；因此，設計人員必須小心異步邏輯在設計中隱藏的許多方面。所有鐘控邏輯都需要一個最短建立與保持時間，而且這一點同樣適用于觸發器的復位輸入。以下代碼采用異步復位。在此無法為了滿足觸發器的建立與保持時間需求而應用時序約束。

　　下列代碼采用同步復位。但是，大多數系統的復位信號都可能是按鍵開關，或是與系統時鐘無關的其它信號源。盡管復位信號大部分情況是靜態的，而且長期處于斷言或解除斷言狀態，不過其水平仍然會有所變化。相當于系統時鐘上升沿，復位解除斷言可以違反觸發器的建立時間要求，而對此無法約束。

　　只要我們明白無法直接將異步信號饋送到我們的同步邏輯中，就很容易解決這個問題。以下代碼創建一個稱為 sys_reset 的新復位信號，其已經與我們的系統時鐘 sys_clk 同步化。在異步邏輯采樣時會產生亞穩定性問題。我們可以采用與階梯的前幾級進行了’與’運算的梯形采樣降低此問題的發生幾率。

　　至此，假定您已經慎重實現了所有邏輯的同步化。不過，如果您不小心，則您的邏輯很容易與系統時鐘脫節。切勿讓您的工具鏈使用系統時鐘所用的本地布線資源。那樣做的話您就無法約束自己的邏輯。切記要明確定義所有的重要邏輯。

　　以下 VHDL 代碼采用賽靈思 BUFG 原語強制 sys_clk 進入驅動低延遲網絡 (low-skew net) 的專用高扇出緩沖器。

　　某些設計采用單個主時鐘的分割版本來處理反序列化數據。以下 VHDL 代碼（nibble_proc進程）舉例說明了按系統時鐘頻率的四分之一采集的數據。

　　看起來好像一切都已經同步化，但是 nibble_proc 采用乘積項 divide_by_4 對來自時鐘域sys_clk_bufg 的 nibble_wide_data 進行采樣。由于路由延遲，divde_by_4 與 sys_clk_bufg 之間并無明確的相位關系。將 divide_by_4 轉移到 BUFG 也于事無補，因為此進程會產生路由延遲。解決方法是將 nibble_proc 保持在 sys_clk_bufg 域，并且采用 divide_by_4 作為限定符，如下所示。