基于TQ 時(shí)序分析器的時(shí)序分析和約束

李 珈

（湖北科技職業(yè)學(xué)院，湖北武漢，430074）

0 引言

一般的FPGA 工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候更加側(cè)重于代碼的編寫(xiě)與硬件測(cè)試，若是最高頻率沒(méi)有達(dá)到要求，最先想到的也是換一個(gè)速度更快的芯片，而不會(huì)去關(guān)注時(shí)序分析和約束的問(wèn)題。實(shí)際上，當(dāng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，且運(yùn)行頻率比較低的時(shí)候，不加任何的時(shí)序約束，F(xiàn)PGA 軟件都可以綜合出來(lái)可用且相對(duì)較可靠的代碼，但當(dāng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，運(yùn)行頻率比較高的時(shí)候，不做時(shí)序分析，不加上一些必要的約束，就很難保證設(shè)計(jì)能且穩(wěn)定的運(yùn)行在所設(shè)定的頻率上。

所有的FPGA 廠商都提供靜態(tài)時(shí)序分析（STA，Static Timing Analysis）工具，可對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)序性能作出評(píng)估。TQ（TimeQuest）是Altera 公司的第二代靜態(tài)時(shí)序分析器，它采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)約束文件（SDC 文件，Synopsys Design Contraint File），能夠適應(yīng)FPGA 的密度和速率增長(zhǎng)的趨勢(shì)，完成傳統(tǒng)的FPGA 時(shí)序分析工具很難分析的設(shè)計(jì)接口。TQ 提供多種約束命令和圖形化的操作界面，簡(jiǎn)化了生成時(shí)序約束文件的方法，提高了時(shí)序報(bào)告閱讀的效率。

1 靜態(tài)時(shí)序分析的概念

靜態(tài)時(shí)序分析是相對(duì)于動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真而言的，由于動(dòng)態(tài)的時(shí)序仿真占用的時(shí)間非常長(zhǎng)，效率低下，因此STA 成為最常用的分析、調(diào)試時(shí)序性能的方法和工具。那么什么是靜態(tài)時(shí)序分析呢？它可以簡(jiǎn)單地定義為：設(shè)計(jì)者提出一些特定的時(shí)序要求（或者說(shuō)是添加特定的時(shí)序約束），套用特定的時(shí)序模型，針對(duì)特定的電路，通過(guò)分析每個(gè)時(shí)序路徑的延時(shí)，計(jì)算出設(shè)計(jì)的最高頻率，查看系統(tǒng)時(shí)序是否滿足設(shè)計(jì)者提出的要求，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)時(shí)序違規(guī)。

所謂條條大路通羅馬，在實(shí)際的電路中，一個(gè)信號(hào)從起始點(diǎn)傳播到終點(diǎn)可能會(huì)經(jīng)過(guò)不同的傳輸路徑，所以對(duì)于同一組起始點(diǎn)和終點(diǎn)，會(huì)存在不同的時(shí)序路徑（timing path），而由于不同的傳輸路徑的參數(shù)會(huì)有差異，所以這些時(shí)序路徑的延遲就不同。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)信號(hào)從輸入到輸出需要在FPGA 內(nèi)部經(jīng)過(guò)一些邏輯延時(shí)和路徑延時(shí)，系統(tǒng)要求這個(gè)信號(hào)在FPGA 內(nèi)部的延時(shí)不能超過(guò)15ns，而開(kāi)發(fā)工具在執(zhí)行過(guò)程中找到了如圖1 所示的一些可能的布局布線方式。那么，怎樣的布局布線能夠達(dá)到系統(tǒng)的要求呢？仔細(xì)分析一番，發(fā)現(xiàn)所有路徑的延時(shí)可能為14ns、15ns、16ns、17ns 及18ns，有兩條路徑能夠滿足要求，那么最后的布局布線就會(huì)選擇滿足要求的兩條路徑之一。

圖1 靜態(tài)時(shí)序分析模型

STA 工具以約束作為判斷時(shí)序是否滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此要求設(shè)計(jì)者正確輸入時(shí)序約束，以便STA 工具能輸出正確的時(shí)序分析結(jié)果。因此靜態(tài)時(shí)序分析的前提是設(shè)計(jì)者先提出要求，然后時(shí)序分析工具才會(huì)根據(jù)特定的時(shí)序模型進(jìn)行分析，即有約束才會(huì)有分析。若設(shè)計(jì)者不添加時(shí)序約束，那么時(shí)序分析就無(wú)從談起。

2 基于TQ 時(shí)序分析器的時(shí)序分析和約束

TimeQuest 時(shí)序分析器可用于分析設(shè)計(jì)中所有邏輯，并有助于指導(dǎo)Fitter 達(dá)到設(shè)計(jì)中的時(shí)序要求。設(shè)計(jì)者可以使用時(shí)序分析器產(chǎn)生的信息來(lái)分析、調(diào)試并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時(shí)序性能；還可以使用快速時(shí)序模型進(jìn)行時(shí)序分析，驗(yàn)證最佳情況（最快速率等級(jí)的最小延時(shí)）條件下的時(shí)序。TQ 時(shí)序分析器采用SDC 文件格式作為時(shí)序約束輸入，不同于Timing Analyzer采用QSF（Quartus Settings File）約束文件。這正是TQ 的優(yōu)點(diǎn)：采用行業(yè)通用的約束語(yǔ)言而不是專有語(yǔ)言，有利于設(shè)計(jì)約束從FPGA 向ASIC 設(shè)計(jì)流程遷移；有利于創(chuàng)建更深入的約束條件。TQ 分析器的操作流程如圖2 所示。

由此可見(jiàn)，TQ 時(shí)序分析器進(jìn)行約束和分析的對(duì)象是FPGA 器件的底層物理單元，均來(lái)自Quartus II 編譯流程各階段的編譯結(jié)果，因此二者是緊密結(jié)合在一起的。Quartus II 編譯中的“分析與綜合”之后，會(huì)進(jìn)行“映射”，生成的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)FPGA 器件的物理結(jié)構(gòu)，可以供TQ 進(jìn)行時(shí)序約束之用。由于“映射”過(guò)程實(shí)際是預(yù)先布局過(guò)程，尚未執(zhí)行時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局和布線工作，也沒(méi)有讀入引腳位置等約束信息，所以在這一步進(jìn)行的時(shí)序分析是時(shí)序預(yù)估，不能獲得準(zhǔn)確的時(shí)序分析結(jié)果；在獲得時(shí)序約束信息后進(jìn)入編譯中的“適配”環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的操作是布局和布線，這一環(huán)節(jié)會(huì)努力按照時(shí)序約束的要求進(jìn)行布局和布線優(yōu)化，并生成FPGA 最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果的時(shí)序網(wǎng)表，TQ 根據(jù)這一網(wǎng)表進(jìn)行分析，可以反映最終的時(shí)序特性，檢查適配結(jié)果是否滿足了時(shí)序約束的要求。

好的約束必須以好的設(shè)計(jì)為前提，沒(méi)有好的設(shè)計(jì)，在約束上下再大的功夫也是沒(méi)有意義的。不過(guò)，通過(guò)正確的約束也可以檢查設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，通過(guò)時(shí)序分析報(bào)告可以檢查出設(shè)計(jì)上時(shí)序考慮不周的地方，從而加以修改。通過(guò)幾次分析－修改－分析的迭代也可以達(dá)到完善設(shè)計(jì)的目標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)是約束的根本，約束是設(shè)計(jì)的保證，二者是相輔相成的關(guān)系。

圖2 TQ 時(shí)序分析器操作流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)自己的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式越了解，對(duì)自己的設(shè)計(jì)的時(shí)序要求越了解，對(duì)目標(biāo)器件的資源分布和結(jié)構(gòu)越了解，對(duì)EDA 工具執(zhí)行約束的效果越了解，那么對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)序約束目標(biāo)就會(huì)越清晰，相應(yīng)地，設(shè)計(jì)的時(shí)序收斂過(guò)程就會(huì)更可控。

[1] Altera 公司.TimeQuest 時(shí)序分析儀為FPGA 設(shè)計(jì)分析提供自然的SDC 支持[J]，半導(dǎo)體技術(shù)，2006 ：86.

[2]周海斌.靜態(tài)時(shí)序分析在高速FPGA 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子工程師，2005：31(11)，41-43.

[3]劉福奇.FPGA 嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.