零基礎(chǔ)學(xué)FPGA （二十五）必會(huì)！ 從靜態(tài)時(shí)序分析到SDRAM時(shí)序收斂（下篇）

　七、SDRAM工作時(shí)鐘相位偏移計(jì)算

　　從上篇文章中我們知道，我們的數(shù)據(jù)是要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)才會(huì)到達(dá)目標(biāo)器件的，這個(gè)延時(shí)也就是相對(duì)于源寄存器的時(shí)鐘發(fā)射沿的時(shí)間延時(shí)，數(shù)據(jù)在源寄存器時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)輸出，經(jīng)過(guò)FPGA的走線，PCB走線等，到達(dá)目標(biāo)寄存器的數(shù)據(jù)端口時(shí)會(huì)有一定的延時(shí)，而這個(gè)數(shù)據(jù)要想被目標(biāo)器件的目的寄存器鎖存，那么，目的寄存器的鎖存時(shí)鐘應(yīng)該盡量在數(shù)據(jù)的有效窗口內(nèi)才能確保數(shù)據(jù)被捕獲成功。所謂數(shù)據(jù)的有效窗口，就是數(shù)據(jù)在兩次變化之間的中間部分，也是數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的部分。

　　所以，要想將數(shù)據(jù)正確捕獲，我們的SDRAM工作時(shí)鐘必須相對(duì)于源時(shí)鐘有一定的相位偏移，這個(gè)相位偏移是我們可以在PLL模塊中手動(dòng)設(shè)置的，這個(gè)值應(yīng)該取多少?下面我們就來(lái)計(jì)算這個(gè)值。

　　這個(gè)相移值的計(jì)算，需要借助四個(gè)參數(shù)，即讀周期最大滯后、超前時(shí)間，寫周期最大超前、滯后時(shí)間，下面依依來(lái)講

　　1、讀周期滯后時(shí)間

　　所謂讀周期滯后時(shí)間就是，SDRAM的工作時(shí)鐘相對(duì)于FPGA的工作時(shí)鐘慢了多少時(shí)間。我用一個(gè)圖來(lái)解釋

　　下面我來(lái)解釋一下這個(gè)圖，既然是讀周期，那么就是在SDRAM的工作時(shí)鐘下發(fā)出數(shù)據(jù)，在FPGA的工作時(shí)鐘下捕獲數(shù)據(jù)，由上圖可以看出，讀周期的滯后時(shí)間就是圖上的兩個(gè)參數(shù)相減對(duì)吧，在理論篇里我講過(guò)，SDRAM在發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)會(huì)保持一段時(shí)間的穩(wěn)定，這個(gè)參數(shù)就是Toh，這個(gè)參數(shù)可以查到。

　　數(shù)據(jù)發(fā)出后，需要被FPGA的工作時(shí)鐘捕獲，但是捕獲的時(shí)候需要考慮保持時(shí)間不能違規(guī)，因此，Th這個(gè)參數(shù)就是FPGA的寄存器保持時(shí)間，這個(gè)參數(shù)我們需要從時(shí)序報(bào)告里查，等會(huì)我們?cè)僬f(shuō)，那么我們可以計(jì)算出

　　讀周期最大滯后時(shí)間 = Toh - FPGA的保持時(shí)間Th

　　2、讀周期超前時(shí)間

　　所謂超前時(shí)間，就是SDRAM的工作時(shí)鐘相對(duì)于FPGA的工作時(shí)鐘快了多少

　　看到這里，有些人可能就不明白了，SDRAM的時(shí)鐘比FPGA的時(shí)鐘相位快了還怎么捕獲數(shù)據(jù)咧?其實(shí)，我所說(shuō)的快慢，只是說(shuō)時(shí)鐘的上升沿誰(shuí)在前而已，我們完全可以這么理解，就是數(shù)據(jù)是在SDRAM時(shí)鐘的前一個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)出的，

　　上面的原圖是錯(cuò)的，即SDRAM發(fā)出數(shù)據(jù)后，要經(jīng)過(guò)Thz的時(shí)間數(shù)據(jù)才會(huì)有效，這個(gè)時(shí)間也是可以查到的，即我們前面理論篇所講的參數(shù)那個(gè)參數(shù)TOH，注意這個(gè)TOH和上面的那個(gè)Toh是不一樣的。然后是FPGA的建立時(shí)間，我們從時(shí)序報(bào)告里查。那么，可以得到

　　讀周期最大超前時(shí)間 = Tclk - (TOH + FPGA的建立時(shí)間Tsu)

　　3、寫周期滯后時(shí)間

　　原圖也是錯(cuò)誤的，既然是寫周期，那么就是在FPGA的工作時(shí)鐘下發(fā)數(shù)據(jù)，在SDRAM的工作時(shí)鐘下捕獲數(shù)據(jù)，那么源寄存器的工作時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送，要等一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)才會(huì)有效，這段時(shí)間應(yīng)該是FPGA寄存器的輸出延時(shí)時(shí)間，即圖上的Tcomax，這個(gè)參數(shù)我們需要到時(shí)序報(bào)告里找，Tss當(dāng)然就是SDRAM的建立時(shí)間了，所以我們可以得到

　　寫周期滯后時(shí)間 = Tclk - (Tcomax + SDRAM的建立時(shí)間Tsu)

　　4、 寫周期超前時(shí)間

　　這個(gè)圖可能剛開始理解起來(lái)不太好看，我用紅筆標(biāo)出來(lái)了，也就是說(shuō)，這里的Tcomin參數(shù)，是當(dāng)下的時(shí)鐘沿，到下一個(gè)數(shù)據(jù)有效的時(shí)間，而當(dāng)前的數(shù)據(jù)，是上一個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)出的。當(dāng)然，Toh即SDRAM鎖存數(shù)據(jù)的保持時(shí)間了，因此我們得到

　　寫周期最大超前時(shí)間 = Tcomin - Toh

　　5、參數(shù)計(jì)算

　　下面我們來(lái)找這些參數(shù)，將上篇文章中的數(shù)據(jù)添加約束之后，執(zhí)行一次全編譯，當(dāng)然這個(gè)時(shí)候肯定是時(shí)序不收斂，不過(guò)沒關(guān)系，時(shí)序收不收斂跟我們的PFGA建立保持時(shí)間以及數(shù)據(jù)輸出時(shí)間是沒什么關(guān)系的。

　　我們先來(lái)看建立保持時(shí)間，由于建立保持時(shí)間是讀周期的參數(shù)，因此，我們查看讀周期的路徑時(shí)序報(bào)告，也就是sdram_data路徑

　　我們右鍵，報(bào)告最糟糕路徑得到下圖

　　書上說(shuō)的是，從左上方的數(shù)據(jù)到達(dá)路徑中可以得出

　　數(shù)據(jù)的建立時(shí)間 17.602 - 7.291 - 3.279 =7.032ns

　　即準(zhǔn)建立時(shí)間 - 發(fā)射沿相對(duì)時(shí)間 - 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的時(shí)間，其實(shí)單看這個(gè)公式是不好懂的，小墨當(dāng)時(shí)也不明白為什么建立時(shí)間是這么算的呢?后來(lái)我看了一下右面的圖，才漸漸明白過(guò)來(lái)，其實(shí)看右面的圖更容易理解一點(diǎn)

　　看了這個(gè)圖我們就會(huì)明白，當(dāng)17.602 減去那兩項(xiàng)之后，剩下的就是我們?cè)O(shè)置的最大輸入延時(shí)時(shí)間以及數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的走線延時(shí)時(shí)間，為什么這段時(shí)間是建立時(shí)間呢?我們之前不是定義數(shù)據(jù)不是應(yīng)該在建立時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定嗎?但是這段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)還沒到啊。對(duì)，沒錯(cuò)，好像是這樣的，數(shù)據(jù)沒到，為什么沒到呢?是因?yàn)槲覀兊臄?shù)據(jù)延時(shí)太長(zhǎng)，以至于我們的捕獲時(shí)鐘在當(dāng)下的時(shí)鐘沿捕獲不到，因此，這就涉及到了多周期路徑約束的知識(shí)，我們可以讓捕獲周期為2 ，也就是說(shuō)，等到下一鎖存沿到來(lái)的時(shí)候再把數(shù)據(jù)捕獲就好了。

　　我們?cè)賮?lái)看一下這兩段時(shí)間，第一段時(shí)間，也就是時(shí)鐘發(fā)射沿相對(duì)時(shí)間加上時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的時(shí)間，其實(shí)這個(gè)時(shí)間就是SDRAM發(fā)出數(shù)據(jù)，到數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的時(shí)間

　　再回過(guò)頭去看一下我們分析讀周期之后時(shí)間的時(shí)候，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上之后是不是直接被鎖存沿鎖存了?這樣說(shuō)來(lái)就是沒有加上數(shù)據(jù)在PCB走線的延時(shí)，因此上圖只是一個(gè)理想過(guò)程，即沒有考慮PCB走線的延時(shí)，而我們的時(shí)序分析工具確實(shí)將其考慮在內(nèi)了，所以，我們的FPGA建立時(shí)間，除了包括數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的時(shí)間外，還應(yīng)加上這段走線延時(shí)的時(shí)間，這也就解釋了，為什么我們的建立時(shí)間是那么算的

　　這個(gè)過(guò)程是我自己的理解，不知道是不是準(zhǔn)確，覺得有問(wèn)題的朋友請(qǐng)積極指正，謝謝

　　同理，我們用同樣的方法

　　算出保持時(shí)間為 4.122ns

　　下面再來(lái)看FPGA的輸出時(shí)間，這個(gè)過(guò)程就要看時(shí)序報(bào)告中的輸出路徑了，按照同樣的方法，我們找到輸出路徑的建立時(shí)間的時(shí)序報(bào)告

　　我們可以看到，這個(gè)很直觀，沒有像上面那個(gè)那么復(fù)雜

　　最大輸出延時(shí)為6.161ns，

　　同理，查看輸出路徑保持時(shí)間的時(shí)序報(bào)告

　　這個(gè)也比較直觀，用14.623 減去 10 就好了，為什么要減10呢?再來(lái)看這個(gè)圖

　　頭一個(gè)發(fā)射沿為0時(shí)刻的話，我們需要等一個(gè)時(shí)鐘周期后發(fā)射第二個(gè)沿，也即這里的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間14.623，是下一個(gè)數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間，減去10，不就是我們的最小輸出時(shí)間了么。

　　所以，我們的最小輸出時(shí)間為4.623ns

　　好了，所有的參數(shù)都有了，下面計(jì)算

　　讀周期最大滯后時(shí)間 = Toh - FPGA的保持時(shí)間Th = 2.7 - 4.122 = - 1.422ns

　　讀周期最大超前時(shí)間 = Tclk - (TOH + FPGA的建立時(shí)間Tsu) = 10 - (5.4 +7.032)=-2.432

　　寫周期最大滯后時(shí)間 = Tclk - (Tcomax + SDRAM的建立時(shí)間Tsu)

　　= 10 - (6.161 +1.5) = 2.339ns

　　寫周期最大超前時(shí)間 = Tcomin - Toh = 4.623 - 0.8 = 3.823ns

　　這樣，我們根據(jù)公式，取最小滯后時(shí)間為 - 1.422 最小超前時(shí)間為 -2.423

　　取二者平均值得 (-1.422 - 2.423 )/ 2 = - 1.9225

　　然后，還沒有完.... 時(shí)序分析這一塊就是這么麻煩...

　　我們現(xiàn)在考慮的，僅僅是考慮的是在SDRAM端口的時(shí)鐘延時(shí)，也就是說(shuō)還沒有考慮SDRAM時(shí)鐘從PLL輸出，經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)部走線，和外部PCB的延時(shí)，我們想一下，是不是有一個(gè)這樣的關(guān)系

　　就是，PLL的時(shí)鐘偏移 + 時(shí)鐘從PLL輸出在FPGA內(nèi)部的延時(shí) + 時(shí)鐘在外部PCB走線的延時(shí) = SDRAM 端口的時(shí)鐘延時(shí)

　　而我們要手動(dòng)添加的，就是PLL的時(shí)鐘偏移值。再者，上篇文章我們對(duì)虛擬時(shí)鐘SDRAM_CLK進(jìn)行約束的時(shí)候，我們對(duì)他就行約束為最大值為3ns對(duì)吧， 時(shí)鐘從PLL輸出在FPGA內(nèi)部的延時(shí)就可以按我們所約束的最大值來(lái)計(jì)算，所以因此，我們計(jì)算

　　PLL的時(shí)鐘 偏移值 = -1.9225 - 3 - 0.1 = - 5.0225

　　換算成正值為 10 - 5.0225 = 4.9775

　　到此為止，我們的相位偏移才計(jì)算完畢，我們將它送給PLL

　　八、多周期約束

　　對(duì)其進(jìn)行全編譯，查看時(shí)序報(bào)告，發(fā)現(xiàn)時(shí)序仍然不收斂

　　查看錯(cuò)誤時(shí)序報(bào)告可以看到，我們沒有做多周期約束，至于為什么，上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，這里直接來(lái)做

　　我們?cè)O(shè)置延時(shí)周期數(shù)為2，即在第二個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，因?yàn)槭禽斎肼窂綍r(shí)序違規(guī)，所以我們約束的多周期路徑就是從我們的虛擬時(shí)鐘，也就是SDRAM的工作時(shí)鐘，到我們FPGA的工作時(shí)鐘clk1

　　再執(zhí)行一次全編譯，所有的路徑達(dá)到時(shí)序收斂

　　當(dāng)然，除了這些，我們還需要一些時(shí)序上的優(yōu)化，以及一些微調(diào)，要想達(dá)到系統(tǒng)的真正穩(wěn)定，光做這些還是不夠的，小墨也是在學(xué)習(xí)當(dāng)中，更深入的探究我只能說(shuō)對(duì)于現(xiàn)在的我來(lái)說(shuō)是力不從心了，有很多經(jīng)驗(yàn)都是我們后續(xù)在不斷地摸索中獲得的，急也沒用，還是安心做好當(dāng)下，一步一個(gè)腳印，學(xué)無(wú)止境，我們永遠(yuǎn)不能說(shuō)自己學(xué)會(huì)了，只能說(shuō)熟悉了，慢慢來(lái)吧~大家還需加油!

　　下面是我調(diào)好的板級(jí)測(cè)試圖，下面也會(huì)附有源代碼，不過(guò)下到你的板子上不一定跑的起來(lái)哦，大家還是自己親手算算這些參數(shù)，等到板子真正跑起來(lái)的時(shí)候，你才會(huì)感受到那種成功的喜悅~

　　好了，SDRAM就寫到這吧，謝謝大家的支持~