FPGA重要设计思想及工程应用之时序及同步设计

FPGA时序分析FPGA (Field-Programmable Gate Array) 是一种可编程逻辑门阵列芯片，它通过配置在其内部的逻辑门和可编程连线实现不同的逻辑功能。

FPGA 在数字电路设计中广泛应用，其灵活性和可重构性使其成为快速原型设计和现场配置电路的理想选择。

然而，FPGA设计和时序分析是一个复杂的过程。

时序分析是验证设计电路的正确性以及保证其能够在时钟信号的驱动下按照预期的时间顺序工作的过程。

下面将重点介绍FPGA时序分析的基本原理和关键概念。

在FPGA设计中，时序分析主要关注以下几个方面：时钟，时钟延迟，组合逻辑路径和寄存器。

1.时钟：时钟信号在FPGA设计中起到重要作用，它用于同步各个电路模块的操作。

时钟的频率和占空比对电路实现的性能和功耗都有很大的影响。

2.时钟延迟：时钟信号在从原始源头传达到特定电路元件的过程中会有一定的延迟。

这个延迟可以由时钟发生器的性能以及时钟信号在FPGA中传输的路径和电路元件的特性决定。

3.组合逻辑路径：组合逻辑路径是指信号从输入到输出经过的一系列逻辑门的路径。

每个逻辑门都会引入一定的延迟，而组合逻辑路径的时序分析主要关注延迟和信号传播的时间约束。

4.寄存器：FPGA中的寄存器用于存储电路的中间结果或暂存数据，它们可以在时钟上升沿或下降沿触发。

寄存器的时序分析包括确定数据到达寄存器的时间以及寄存器中数据对输出的影响。

时序分析主要用于验证和优化FPGA电路设计。

通过分析时钟频率、时钟延迟和电路路径延迟，可以确定电路是否满足设计规范和时间约束。

时序分析还可以帮助设计人员优化电路以达到更好的性能，如降低时钟频率、优化组合逻辑路径、调整寄存器设置等。

在进行 FPGA 时序分析时，通常使用的工具是时序分析器。

时序分析器是一种软件工具，可以输入 FPGA 设计的网络描述、时钟频率、时钟源等信息，利用相关算法和模型计算出电路的时序性能。

常见的时序分析器包括 Xilinx 的 Vivado 和 Altera 的 Quartus。

关于FPGA时序以及时序收敛的基本概念详解1. FPGA时序的基本概念FPGA器件的需求取决于系统和上下游（upstream and downstrem）设备。

我们的设计需要和其他的devices进行数据的交互，其他的devices 可能是FPGA外部的芯片，可能是FPGA内部的硬核。

对于FPGA design来说，必须要关注在指定要求下，它能否正常工作。

这个正常工作包括同步时序电路的工作频率，以及输入输出设备的时序要求。

在FPGA design内部，都是同步时序电路，各处的延时等都能够估计出来，但是FPGA内部并不知道外部的设备的时序关系。

所以，TIming constraints包括输入路径（Input paths ）寄存器-寄存器路径（Register-to-register paths ）输出路径（Output paths ）例外（Path specific excepTIons ）这正好对应了上图中三个部分，Path specific excepTIons 暂时不提。

Input paths对应的是OFFSET IN约束，即输入数据和时钟之间的相位关系。

针对不同的数据输入方式（系统同步和源同步，SDR和DDR）有不同的分析结果。

Register-to-register paths 对应的是整个FPGA design的工作时钟。

如果只有一个时钟，那么只需要指定输入的频率即可。

如果有多个时钟，这些时钟是通过DCM，MMCM，PLL 生成的，那么显然ISE知道这些时钟之间的频率、相位关系，所以也不需要我们指定。

如果这些不同的时钟是通过不同的引脚输入的，ISE不知道其相位关系，所以指定其中一个为主时钟，需要指定其间的相位关系。

Output paths对应的是OFFSET OUT 约束，和OFFSET IN约束很类似，不过方向相反。

2.输入时序约束The input TIming constraints cover the data path from the external pin or pad of the package of the FPGA device to the internal synchronous element or register that captures that data.输入时序约束控制外部引脚到内部模块的路径。

FPGA时序优化方法FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑设备，广泛应用于数字电路设计和嵌入式系统开发。

在FPGA设计中，时序优化是提高电路性能和可靠性的重要步骤之一、时序优化旨在减少电路中的时序违例（timing violations），以确保电路能够按照预期的时序要求正常工作。

以下是几种常用的FPGA时序优化方法：1. 约束优化（Constraint Optimization）：约束是FPGA设计的重要部分，用于定义电路的时序约束和限制。

优化约束可以帮助FPGA工具准确地分析和优化电路时序。

在优化约束时，可以考虑以下几个方面：时钟约束、延迟约束、时序路径约束等。

2. 时钟优化（Clock Optimization）：时钟是FPGA设计中的关键因素之一、时钟优化可以帮助提高电路的最大工作频率。

时钟优化的一些常见方法包括时钟缓冲器的优化、时钟树的优化、时钟路径的缩短等。

此外，使用时钟插入技术（Clock Insertion）可以帮助减少时序违例。

4. 时序分析与检查（Timing Analysis and Verification）：时序分析是确保电路满足时序要求的关键步骤。

通过使用时序分析工具，可以检查电路中是否存在时序违例，并找出引起时序违例的原因。

时序分析的一些常见工具包括时序模拟器、时序分析器、时序约束检查工具等。

5. 管脚布局和时序拓扑规划（Pin Placement and Timing Topology Planning）：管脚布局和时序拓扑规划是FPGA设计中的关键步骤。

正确的管脚布局和时序拓扑规划可以减少时序路径长度、避免信号交叉干扰等问题。

在进行管脚布局和时序拓扑规划时，可以考虑时钟信号的分布、信号路径的长度等因素。

6. 空间优化（Space Optimization）：空间优化是指在有限的FPGA资源上实现尽可能多的功能。

通过合理的资源分配和优化，可以减少电路的面积并提高性能。

fpga逻辑设计方案报告FPGA逻辑设计方案报告一、引言FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可编程数字逻辑器件，具有灵活性和可重构性。

FPGA的设计涉及到逻辑电路设计、时序设计和综合优化等方面。

本报告旨在介绍FPGA逻辑设计方案的基本原理和方法。

二、FPGA逻辑设计基础1. FPGA架构：FPGA由可编程逻辑单元（CLB）、输入输出模块（IOB）和可编程互连资源（Interconnect）构成。

CLB是FPGA 中最基本的逻辑单元，包含查找表（LUT）、寄存器和多路选择器等。

IOB用于与外部设备进行数据交换。

Interconnect用于连接CLB和IOB，实现不同逻辑单元之间的互连。

2. FPGA编程语言：常见的FPGA编程语言包括VHDL和Verilog。

这些语言提供了描述数字逻辑电路的方式，可以通过编写代码来实现逻辑功能。

三、FPGA逻辑设计流程1. 需求分析：明确设计的功能和性能要求，确定逻辑电路的输入输出接口。

2. 模块划分：将整个设计任务划分为多个模块，每个模块负责实现一个特定的功能。

3. 逻辑设计：使用FPGA编程语言编写每个模块的逻辑电路描述。

在描述中使用逻辑门、寄存器、多路选择器等基本元件，通过组合和时序逻辑的方式实现所需功能。

4. 综合优化：对逻辑电路进行综合，将高级语言描述转化为逻辑门级的电路描述。

综合优化包括逻辑优化、时序优化和面积优化等。

5. 时序设计：对逻辑电路进行时序约束的设置，确保信号的传输满足时序要求。

时序设计包括时钟频率、时钟分频、时钟延迟等方面的考虑。

6. 布局布线：将逻辑电路映射到FPGA的物理资源上。

布局布线包括逻辑单元的位置分配和信号线的路径规划。

7. 静态时序分析：对布局布线后的电路进行时序分析，检查是否满足时序要求。

8. 配置生成：将逻辑电路的配置位流生成，用于配置FPGA芯片。

9. 下载与验证：将配置位流下载到FPGA芯片中，通过验证测试确保设计满足功能和性能要求。

FPGA设计的八个重要知识点，你都会吗1. 面积与速度的平衡与互换这里的面积指一个设计消耗/的规律资源的数量，对于FPGA可以用消耗的FF（触发器）和LUT（查找表）来衡量，更普通的衡量方式可以用设计所占的等价规律门数。

面积和速度这两个指标贯通FPGA/CPLD设计的时钟，是设计质量的评价的终极标准——面积和速度是一对对立统一的冲突体。

要求一个同时具备设计面积最小、运行频率最高是不现实的。

更科学的设计目标应当是在满足设计时序要求（包括对设计频率的要求）的前提下，占用最小的芯片面积。

或者在所规定的面积下，是设计的时序余量更大、频率跑的更高。

这两种目标充分体现了面积和速度的平衡的思想。

作为冲突的两个组成部分，面积和速度的地位是不一样的。

相比之下，满足时序、工作频率的要求更重要一些，当两者矛盾时，采纳速度优先的准则。

从理论上讲，假如一个设计时序余量较大，所能跑的速度远远高于设计要求，那么就通过功能模块的复用来削减囫囵设计消耗的芯片面积，这就是用速度的优势换取面积的节省。

反之，假如一个设计的时序要求很高，一般办法达不到设计频率，那么普通可以通过将数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对囫囵设计实行乒乓操作和串并转换的思想运行。

2. 硬件原则硬件原则主要针对HDL代码编写而言：是采纳了C语言形式的硬件的抽象，它的本质作用在于描述硬件，它的终于实现结果是芯片内部的实际。

所以评判一段HDL代码的优劣的终于标准是：其描述并实现的硬件电路的性能，包括面积和速度两个方面。

评价一个设计的代码水平较高，仅仅是说这个设计是由硬件想HDL代码这种表现形式的转换越发流畅、合理。

而一个设计终于性能，在更大程度上取决于设计工程师所构想的硬件实现计划的效率以及合理性。

（HDL代码仅仅是硬件设计的表达形式之一）初学者片面追求代码的干净、简短，是错误的，是与HDL的标准南辕北辙的。

正确的编码办法，首先要做到对所需实现的硬件电路心中有数，对该部分的硬件的结构和衔接非常清楚，然后再用适当的HDL语句表达出来即可。

FPGA设计之——时序设计FPGA设计一个很重要的设计是时序设计，而时序设计的实质就是满足每一个触发器的建立(Setup)/保持(Hold)时间的要求。

建立时间(Setup Time)：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；保持时间(Hold Time)：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。

FPGA设计分为异步电路设计和同步电路设计，然而很多异步电路设计都可以转化为同步电路设计，在设计时尽量采用同步电路进行设计。

对于同步电路可以转化的逻辑必须转化，不能转化的逻辑，应将异步的部分减到最小，而其前后级仍然应该采用同步设计。

为了让同步电路可靠地运行，就要对时钟偏差进行控制，以使时钟偏差减小到可用的范围。

影响时钟偏差的主要有以下几个因素：o用于连接时钟树的连线o钟树的拓扑结构o时钟的驱动o时钟线的负载o时钟的上升及下降时间在通常的FPGA设计中对时钟偏差的控制主要有以下几种方法：o控制时钟信号尽量走可编程器件的的全局时钟网络。

在可编程器件中一般都有专门的时钟驱动器及全局时钟网络，不同种类、型号的可编程器件，它们中的全局时钟网络数量不同，因此要根据不同的设计需要选择含有合适数量全局时钟网络的可编程器件。

一般来说，走全局时钟网络的时钟信号到各使用端的延时小，时钟偏差很小，基本可以忽略不计。

o若设计中时钟信号数量很多，无法让所有的信号都走全局时钟网络，那么可以通过在设计中加约束的方法，控制不能走全局时钟网络的时钟信号的时钟偏差。

o异步接口时序裕度要足够大。

局部同步电路之间接口都可以看成是异步接口，比较典型的是设计中的高低频电路接口、I/O接口，那么接口电路中后一级触发器的建立-保持时间要满足要求，时序裕度要足够大。

o在系统时钟大于30MHz时，设计难度有所加大，建议采用流水线等设计方法。

《FPGA系统设计》实验报告》时序逻辑电路的设计
一、设计任务
分别设计并实现锁存器、触发器的VHDL模型。

二、设计过程
1、同步锁存器：
同步锁存器是指复位和加载功能全部与时钟同步，复位端的优先级较高。

下图为同步锁存器的VHDL程序及模型：
2、异步锁存器：
异步锁存器，是指复位与时钟不同步的锁存器。

下图为同步锁存器的VHDL程序及模型：
3、D触发器：
D触发器是最常用的触发器。

下图为简单D触发器的VHDL 模型：
4、T触发器：
T触发器的特点是在时钟沿处输出信号发生翻转。

按
照有无复位、置位信号以及使能信号等，T触发器也有多种类型。

下图为带异步复位T触发器的VHDL模型：
5、JK触发器：
JK触发器中，J、K信号分别扮演置位、复位信号的角色。

为了更清晰的表示出JK触发器的工作过程，以下给出JK触发器的真值表（如表1所示）。

表1 JK触发器真值表
按照有无复位、置位信号，常见的JK触发器也有多种类型，下图带异步复位（clr）、置位（prn）的JK触发器的VHDL模型：
三．总结
本次实验中较为顺利，在第一次课的时间内我就已经完成了必做实验与选作实验。

在实验的过程中，在防抖电路处有了较大的困难。

由于仿真中不存在此问题，在实际操作中参数选择时遇到了一定的困难。

在反复比对效果之后，我
确定了电路的参数，实现了防抖功能。

通过这次实验，我对时钟脉冲、计数器等有了更加深入的认识与理解。

FPGA时序优化方法下面是几种常见的FPGA时序优化方法：1.约束优化：约束是指对电路时序和布局的设计要求。

通过正确地设置约束，可以促使FPGA布局工具在布局时考虑到电路的时序需求。

约束优化包括设置正确的时钟频率、引脚延迟、最小路径延迟等。

2.时钟优化：在FPGA设计中，时钟是非常重要的元件，也是时序优化的关键。

对时钟进行优化可以改善电路的时序性能。

时钟优化包括降低时钟频率、减少时钟路径长度、优化时钟布线和时钟分配等。

3.逻辑优化：逻辑优化是指通过优化电路的逻辑结构来改善时序性能。

逻辑优化可以包括逻辑分解、逻辑合并、信号复用、逻辑约简等。

通过逻辑优化可以减少电路的延迟和面积。

4.流水线优化：流水线是一种常见的时序优化技术，可以将复杂的计算过程分解为多个互相依赖的阶段，以提高电路的并行性和时序性能。

通过合理地设置流水线阶段的数量和互连方式，可以使电路的运行速度加快。

5.资源共享：资源共享是指将不同的计算单元共享一个硬件资源以优化电路的时序性能。

例如，将多个逻辑门共享同一个LUT（查找表）可以减少逻辑路径的延迟。

6.布线优化：布线是指将逻辑元件和时钟信号进行物理连线的过程。

布线优化可以通过选择合适的布线工艺规则、调整布线优先级、减少布线路径长度等方式来改善电路的时序性能。

7.时序仿真和分析：时序仿真和分析工具可以帮助设计人员了解电路的时序关系，并通过一系列的优化方法来改善时序性能。

通过仿真和分析可以发现潜在的时序问题，并指导设计人员进行优化。

综上所述，FPGA时序优化方法包括约束优化、时钟优化、逻辑优化、流水线优化、资源共享、布线优化和时序仿真分析等多个方面。

这些方法可以同时应用于FPGA设计中，以提高电路的时序性能和整体质量。

对于特定的设计需求和约束条件，设计人员需要结合实际情况选择适当的时序优化方法。

从大学时代第一次接触FPGA至今已有10多年的时间。

至今记得当初第一次在EDA实验平台上完成数字秒表，抢答器，密码锁等实验时，那个兴奋劲。

当时由于没有接触到HDL硬件描述语言，设计都是在MAX+plus II原理图环境下用74系列逻辑器件搭建起来的。

后来读研究生，工作陆陆续续也用过Quartus II，Foundation，ISE，Libero，并且学习了verilogHDL语言，学习的过程中也慢慢体会到verilog的妙用，原来一小段语言就能完成复杂的原理图设计，而且语言的移植性可操作性比原理图设计强很多。

工作过的朋友肯定知道，公司里是很强调规范的，特别是对于大的设计（无论软件还是硬件），不按照规范走几乎是不可实现的。

逻辑设计也是这样：如果不按规范做的话，过一个月后调试时发现有错，回头再看自己写的代码，估计很多信号功能都忘了，更不要说检错了；如果一个项目做了一半一个人走了，接班的估计得从头开始设计；如果需要在原来的版本基础上增加新功能，很可能也得从头来过，很难做到设计的可重用性。

在逻辑方面，我觉得比较重要的规范有这些：1.设计必须文档化。

要将设计思路，详细实现等写入文档，然后经过严格评审通过后才能进行下一步的工作。

这样做乍看起来很花时间，但是从整个项目过程来看，绝对要比一上来就写代码要节约时间，且这种做法可以使项目处于可控、可实现的状态。

2.代码规范。

如果在另一个设计中的时钟是40ns，复位周期不变，我们只需对CLK_PERIOD进行重新例化就行了，从而使得代码更加易于重用。

b.信号命名要规范化。

1）信号名一律小写，参数用大写。

2）对于低电平有效的信号结尾要用_n标记，如rst_n。

3）端口信号排列要统一，一个信号只占一行，最好按输入输出及从哪个模块来到哪个模块去的关系排列，这样在后期仿真验证找错时后方便很多。

4）一个模块尽量只用一个时钟，这里的一个模块是指一个module或者是一个entity。

fpga时序逻辑和组合逻辑FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种集成电路芯片，可以根据需要进行可编程和可重新配置的硬件设计。

FPGA中的逻辑可以分为时序逻辑和组合逻辑。

1.组合逻辑（Combinational Logic）：组合逻辑是一种无记忆的逻辑，其输出仅与当前输入有关，没有时序（时钟）要求。

组合逻辑电路由逻辑门组成，例如AND门、OR门、NOT门等。

组合逻辑的输出只取决于当前的输入信号，并且输出的时刻不受电路中其他信号的影响。

组合逻辑电路可以用布尔代数和真值表来描述，可以通过Karnaugh图、逻辑门电路或编程语言进行设计和实现。

对于FPGA而言，组合逻辑通常被用于处理输入信号之间的关系，从而生成输出信号。

2.时序逻辑（Sequential Logic）：时序逻辑是一种基于时钟信号的逻辑，它包含电路的状态存储元件（如触发器或寄存器）。

时序逻辑具有一定的记忆功能，可以根据其存储的先前状态和时钟信号来决定输出。

时序逻辑的输出受到电路的当前状态和时钟信号的控制。

时序逻辑电路通常用于需要保留状态信息和实现时序控制的场景。

通过使用时钟信号来同步时序逻辑中不同的部分，可以确保它们在正确的时相进行操作，从而实现复杂的逻辑功能。

在FPGA中，常常将组合逻辑和时序逻辑结合起来实现特定的功能。

组合逻辑用于处理输入信号之间的关系，而时序逻辑则用于实现状态存储和时序控制。

通过在FPGA中使用逻辑元件和触发器等元件，可以构建出复杂的数字电路和逻辑功能。

为了正确设计和实现FPGA逻辑，需要深入了解组合逻辑和时序逻辑的原理和特性，并根据具体应用场景进行合适的设计。