FPGA静态时序分析简单解读

任何学FPGA的人都跑不掉的一个问题就是进行静态时序分析。静态时序分析的公式，老实说很晦涩，而且总能看到不同的版本，内容又不那么一致，为了彻底解决这个问题，我研究了一天，终于找到了一种很简单的解读办法，可以看透它的本质，而且不需要再记复杂的公式了。 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）是FPGA设计中的关键步骤，它用于确保电路在给定的时钟速度下正确无误地工作。在本文中，我们将深入理解静态时序分析的基本概念，以及如何简化其公式以揭示其本质。 我们需要了解几个关键术语： 1. 时钟周期（Tperiod）：时钟信号从高电平到低电平再到高电平所需的时间，是系统中最基本的时间单位。 2. D触发器采样瞬间到输出时间（Tcko）：数据从D触发器采样后到其输出稳定的时间。 3. 组合逻辑延迟（Tlogic）：电路中逻辑门延迟的总和。 4. 走线延迟（Tnet）：信号在布线中传播所用的时间，通常很小但不可忽视。 5. 建立时间（Tsetup）：数据必须在触发器采样沿之前稳定的时间。 6. 时钟偏移（Tclk_skew）：由于时钟信号到达不同位置的触发器的时间差异。 通常，静态时序分析涉及建立时间和保持时间的计算，以确保满足时序约束。建立时间是保证数据在时钟上升沿到来前稳定的时间，保持时间是保证数据在时钟上升沿之后保持不变的时间。 公式（1）和（2）是最全面的建立时间和保持时间公式，它们考虑了所有可能的延迟因素。但为了简化理解，我们可以忽略较小的Tnet和相对高级的概念Tclk_skew，得到简化公式（3）和（4）。 公式（3）表明，数据从源触发器到目的触发器的传输时间不能超过一个时钟周期，否则将导致数据丢失。而公式（4）强调，即使考虑到建立时间，数据传输时间也不能小于保持时间，否则可能导致触发器在采样期间遇到不稳定状态。 通过将Tsetup加到（4）式两边，我们得到（5），进而推导出（6）。这个关键的等式（6）表明，数据传输延时应位于时钟周期和触发器采样窗口之间。左边表示传输延时不应小于采样窗口，否则数据可能会在采样窗口内改变，导致亚稳态。右边则意味着传输延时不应超过时钟周期，否则数据无法在下一个时钟周期的采样时刻到达。 静态时序分析的目标是确保数据在正确的时间到达触发器，并且在触发器的采样窗口内保持稳定。理解这些概念和简化公式，可以帮助我们更好地把握FPGA设计中的时序约束，从而避免潜在的时序错误。通过这种直观的解读，我们无需记忆复杂的公式，也能理解静态时序分析的核心原理。