FPGA时序约束中常用公式的详细推导

在fpga工程中加入时序约束的目的：1. 给Quartus II提出时序要求；2. Quartus II在布局布线时会优先满足时序要求；3. STA静态时序分析工具判断时序是否满足标准。可以将其比作给代工厂提供尺寸要求，工厂会按此生产，质检员会根据要求进行检验。若要求太高则难以满足，若要求太低则无法达到理想效果。Quartus II中的静态时序分析（STA）套用特定模型分析电路是否违反时序限制。主要检查寄存器的建立时间和保持时间是否满足规格。在FPGA设计中，时序约束影响设计性能和可靠性，主要包括建立时间和保持时间要求，以确保数据在时钟边沿时被正确采样。探讨了FPGA时序约束中的常用公式及其意义。关键时间概念：数据到达时间（DAT）和时钟到达时间（CAT）。DAT指数据到达目的寄存器的时间，CAT则是时钟信号到达寄存器的时间。目标是确保DAT在时钟到达前满足建立时间要求，同时在时钟到来后保持足够长时间以满足保持时间要求。 1. 数据要求时间（DRT）：分为Setup DRT和Hold DRT，Setup DRT规定数据必须在时钟沿到来前到达，Hold DRT规定数据在时钟沿之后保持稳定一段时间。 2. 时序裕量（Slack）：衡量时序是否满足约束。Setup Slack = Setup Required Time - DAT，大于0满足要求，小于0则未满足。Hold Slack = DAT - Hold Required Time，大于0表示满足，小于0不满足。 3. 输入延迟（Input Delay）：涉及数据路径和时钟路径延迟比较，定义为DAT - CAT，确保输入满足建立时间和保持时间要求。 4. 输出延迟（Output Delay）：涉及外部设备时序，输出最大延迟考虑数据路径最大延迟和时钟路径最小延迟，输出最小延迟考虑数据路径最小延迟和时钟路径最大延迟之差。 5. Fmax：设计的最高频率，当Setup Slack等于0时，周期最小，频率为Fmax，计算公式为：period = tco + data_delay + tsu - tskew。理解并应用这些时序约束公式对FPGA设计优化至关重要，通过合理设定时序约束可以确保设计满足性能需求并具备足够裕量应对变化。时序分析工具如Quartus II的STA功能可帮助设计师调整设计，确保所有时序路径满足要求，实现高性能、可靠的FPGA系统。