FPGA 時序收斂
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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。
tri_state_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
if (enable_in = ‘1’) then
sda = data_in;
else
data_out = sda;
sda = ‘Z’;
end if;
end if;
END PROCESS tri_state_proc;
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。
sda_buff: IOBUF
generic map (IOSTANDARD => "LVCMOS25",
IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE => 12,
SLEW => "SLOW")
port map(o=> data_out, io=> sda,
i=> data_in, t=> enable_in);
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。
data_proc : PROCESS (sys_clk,reset)
BEGIN
if (reset = ‘1’) then
data_in = ‘0’;
elsif rising_edge(sys_clk) then
data_in = serial_in;
end if;
END PROCESS data_proc;
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。
data_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
if (reset = ‘1’) then
data_in = ‘0’;
else
data_in = serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;
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。
data_proc : PROCESS (sys_clk)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk) then
reset_1 = reset;
reset_2 = reset_1 and reset;
sys_reset = reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk) then
if (sys_reset = ‘1’) then
data_in = ‘0’;
else
data_in = serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;
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。
gclk1: BUFG port map (I => sys_clk,O
=> sys_clk_bufg);
data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
reset_1 = reset;
reset_2 = reset_1 and reset;
sys_reset = reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = ‘1’) then
data_in = ‘0’;
else
data_in = serial_in;
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;
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。
data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
reset_1 = reset;
reset_2 = reset_1 and reset;
sys_reset = reset_2 and reset_1
and reset;
end if;
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = ‘1’) then
two_bit_counter = "00";
divide_by_4 = ‘0’;
nibble_wide_data = "0000";
else
two_bit_counter
= two_bit_counter + 1;
divide_by_4 = two_bit_counter(0) and
two_bit_counter(1);
nibble_wide_data(0)
= serial_in;
nibble_wide_data(1)
= nibble_wide_data(0);
nibble_wide_data(2)
= nibble_wide_data(1);
nibble_wide_data(3)
= nibble_wide_data(2);
end if;
end if;
END PROCESS data_proc;
nibble_proc : PROCESS (divide_by_4)
BEGIN
if rising_edge(divide_by_4) then
if (sys_reset = ‘1’) then
nibble_data_in = "0000";
else
nibble_data_in
= nibble_wide_data;
end if;
end if;
END PROCESS nibble_proc;
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。
nibble_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)
BEGIN
if rising_edge(sys_clk_bufg) then
if (sys_reset = ‘1’) then
nibble_data_in = "0000";
elsif (divide_by_4 = ‘1’) then
nibble_data_in
= nibble_wide_data;
end if;
end if;
END PROCESS nibble_proc
時序約束的重要性
如果您希望自己的邏輯正確運行，則必須采用正確的時序約束。如果您已經慎重確保代碼全部同步且注冊了全部 I/O，則這些步驟可以顯著簡化時序收斂。在采用上述代碼并且假定系統時鐘為100MHz 時，則只需四行代碼就可以輕松完成時序約束文件，如下所示：
NET sys_clk_bufg TNM_NET =
sys_clk_bufg;
TIMESPEC TS_sys_clk_bufg = PERIOD
sys_clk_bufg 10 ns HIGH 50%;
FFSET = IN 6 ns BEFORE sys_clk;
FFSET = OUT 6 ns AFTER sys_clk;
請注意：賽靈思 FPGA 中 I/O 注冊邏輯的建立與保持時間具有很高的固定性，在一個封裝中切勿有太大更改。但是，我們仍然采用它們，主要用作可確保設計符合其系統參數的驗證步驟。
三步簡單操作
僅需遵循以下三步簡單操作，設計人員即可輕松實施可靠的代碼。
? 切勿讓綜合工具猜測您的預期。采用賽靈思原語對所有 I/O 引腳和關鍵邏輯進行明確定義。確保定義 I/O 引腳的電氣特性；
? 確保邏輯 100% 同步，并且讓所有邏輯參考主時鐘域；
? 應用時序約束確保時序收斂。
只要遵循上述三個步驟，您就能夠消除綜合與時序導致的差異。掃除這兩個主要障礙會讓您獲得具有 100% 可靠性的代碼。
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