FPGA時(shí)序收斂分析

您編寫(xiě)的代碼是不是雖然在仿真器中表現正常，但是在現場(chǎng)卻斷斷續續出錯?要不然就是有可能在您使用更高版本的工具鏈進(jìn)行編譯時(shí)，它開(kāi)始出錯。您檢查自己的測試平臺，并確認測試已經(jīng)做到 100% 的完全覆蓋，而且所有測試均未出現任何差錯，但是問(wèn)題仍然頑疾難除。

　　雖然設計人員極其重視編碼和仿真，但是他們對芯片在 FGPA 中的內部操作卻知之甚少，這是情有可原的。因此，不正確的邏輯綜合和時(shí)序問(wèn)題(而非邏輯錯誤)成為大多數邏輯故障的根源。

　　但是，只要設計人員措施得當，就能輕松編寫(xiě)出能夠創(chuàng )建可預測、可靠邏輯的 FPGA 代碼。

　　在 FPGA 設計過(guò)程中，需要在編譯階段進(jìn)行邏輯綜合與相關(guān)時(shí)序收斂。而包括 I/O 單元結構、異步邏輯和時(shí)序約束等眾多方面，都會(huì )對編譯進(jìn)程產(chǎn)生巨大影響，致使其每一輪都會(huì )在工具鏈中產(chǎn)生不同的結果。為了更好、更快地完成時(shí)序收斂，我們來(lái)進(jìn)一步探討如何消除這些差異。

　　I/O 單元結構

　　所有 FPGA 都具有可實(shí)現高度定制的 I/O 引腳。定制會(huì )影響到時(shí)序、驅動(dòng)強度、終端以及許多其它方面。如果您未明確定義 I/O 單元結構，則您的工具鏈往往會(huì )采用您預期或者不希望采用的默認結構。如下 VHDL 代碼的目的是采用“sda: inout std_logic;”聲明創(chuàng )建一個(gè)稱(chēng)為 sda 的雙向 I/O 緩沖器。

　　圖1 – FPGA 編輯器視圖顯示了部分雙向I/O散布在I/O緩沖器之外。

　　當綜合工具發(fā)現這組代碼時(shí)，其中缺乏如何實(shí)施雙向緩沖器的明確指示。因此，工具會(huì )做出最合理的猜測。

　　實(shí)現上述任務(wù)的一種方法是，在 FPGA 的 I/O 環(huán)上采用雙向緩沖器(事實(shí)上，這是一種理想的實(shí)施方式)。另一種選擇是采用三態(tài)輸出緩沖器和輸入緩沖器，二者都在查詢(xún)表 (LUT) 邏輯中實(shí)施。最后一種可行方法是，在 I/O 環(huán)上采用三態(tài)輸出緩沖器，同時(shí)在 LUT 中采用輸入緩沖器，這是大多數綜合器選用的方法。這三種方法都可以生成有效邏輯，但是后兩種實(shí)施方式會(huì )在I/O 引腳與 LUT 之間傳輸信號時(shí)產(chǎn)生更長(cháng)的路由延遲。此外，它們還需要附加的時(shí)序約束，以確保時(shí)序收斂。FPGA 編輯器清晰表明：在圖 1 中，我們的雙向 I/O 有一部分散布在 I/O 緩沖器之外。

　　教訓是切記不要讓綜合工具猜測如何實(shí)施代碼的關(guān)鍵部分。即使綜合后的邏輯碰巧達到您的預期，在綜合工具進(jìn)入新版本時(shí)情況也有可能發(fā)生改變。應當明確定義您的 I/O 邏輯和所有關(guān)鍵邏輯。以下 VHDL 代碼顯示了如何采用 Xilinx® IOBUF 原語(yǔ)對 I/O 緩沖器進(jìn)行隱含定義。另外需要注意的是，采用相似方式明確定義緩沖器的所有電氣特性。

　　在圖 2 中，FPGA 編輯器明確顯示，我們已完全在 I/O 緩沖器內部實(shí)施了雙向 I/O。