FPGA时序分析与约束（5）——时序路径

一、前言

        在之前的文章中我们分别介绍了组合电路的时序，时序电路的时序和时钟的时序问题，我们也对于时序分析，时序约束和时序收敛几个基本概念进行了区分，在这篇文章中，我们将介绍时序约束相关的最后一部分基本概念，带领大家了解什么是时序路径。

二、常用术语

        时序分析中的常用术语：

• 源时钟（Source Clock/Launch Clock，也称为发起时钟）
• 目的时钟（Destination Clock/Capture Clock，也称为捕获时钟）
• 发起沿（launch edge,源时钟产生数据的有效时钟沿）
• 捕获沿（capture edge,目的时钟捕获数据的有效时钟沿）
• 发起沿通常在0ns，捕获沿通常在下一个发起沿，发起沿和捕获沿通常相差一个时钟周期。

 三、时序路径

        时序路径指的是信号可以继续穿过，不必等待其他触发条件的路径。沿着时序路径，信号仅仅在通过电路元器件时有延迟。

1、起点和终点

        信号时序开始的点称为起点。因此，对于给定电路，所有输入都可以作为起点。信号必须被定时的点称为终点。因此，所有输出都可以作为终点。

        在寄存器中，输入D必须等待时钟触发的到达。所以，直到D到达才能完成的过渡过程现在必须等待。现在进一步传递信号的时序将取决于时钟的达到时间。此处D应检查是否满足建立时间和保持时间。因此，时序路径在此结束。所以，寄存器也可以作为终点。

        类似地，寄存器也可以作为起点。信号将从寄存器地Q引脚开始，然后向前传递。严格来说，时序从时钟源开始，然后到达触发器地clock引脚，接着进入触发器的Q引脚，然后继续向前。所以，严格来说，寄存器不是真正的起点。但是，大部分实际使用中，我们还是把寄存器称之为起点，但是在实际分析中，路径追踪是从时钟源开始的。

2、一条普通时序路径的三要素

1.1 源时钟路径

        从源时钟的源节点（通常是FPGA的时钟输入引脚）到源寄存器的时钟端口的路径。当时序路径的起点是FPGA输入端口时，该时序路径是没有源时钟路径的。

1.2 数据路径

        从时序路径的起点到时序路径的终点之间的数据传播路径。时序路径的起点可以是源寄存器的时钟端口或FPGA的输入端口，时序路径的终点可以是目的寄存器的输入端口或FPGA的输出端口。

1.3 目的时钟路径        

        从目的时钟的源节点（通常是FPGA的时钟输入引脚）到目的寄存器的时钟端口的路径。当时序路径的终点是FPGA的输出端口时，该时序路径是没有目的时钟路径的。

3、FPGA中常见的4种时序路径

         一般来说，FPGA中的时序路径可以分化成4种不同的类型

（1）第一类时序路径（红色）：从device A的时钟到FPGA的第一级寄存器的输入端口。
（2）第二类时序路径（蓝色）：两个同步元件之间的路径（rega到regb）
（3）第三类时序路径（黄色）：最后一级寄存器到device B数据端口的路径
（4）第四类时序路径（绿色）：端口到端口的路径（dinb到doutb）

2.1 引脚到寄存器（从FPGA的输入端口到目的寄存器的数据输入端口）

• 数据由Board clock发起并在FPGA外部产生；
• 数据经过Input Delay的延迟后到达FPGA的输入端口；
• 数据经过FPGA的Internal Delay后到达由目的时钟驱动的目的寄存器
• 这种路径是没有源时钟路径的，用户需要约束Input Delay和时钟来告知时序引擎必要信息，时序引擎才能正确的分析这种路径。

2.2 寄存器到寄存器（从源寄存器的时钟端口到目的寄存器的数据输入端口）

• 数据由源时钟发起并在FPGA内部产生；
• 数据经过Data Path Delay后到达由目的时钟驱动的目的寄存器；
• 这种时序路径是最常见的，用户需要约束源时钟和目的时钟告知时序引擎必要的信息，时序引擎才能正确的分析这种时序路径。

2.3 寄存器到引脚（从源寄存器的时钟端口到FPGA的输出端口） 

• 数据由源时钟发起并在FPGA内部产生；
• 数据经过Internal Delay后到达输出端口；
• 数据经过Output Delay后被Board Clock捕获到；
• 这种路径是没有目的时钟路径的，用户需要约束Output Delay和时钟来告知时序引擎必要信息，时序引擎才能正确的分析这种路径。

2.4 引脚到引脚（从FPGA的输入端口到FPGA的输出端口）

• 数据横穿FPGA，没有经过任何触发器，这种路径也叫in-to-out path，约束输入和输出延时的参考时钟可以使用虚拟时钟。
• 这种路径中只有数据路径，用户需要约束Input Delay和Output Delay，告知时序引擎必要的信息，时序引擎才能正确的分析这种时序路径。

四、总结

        在本文中，我们主要介绍了时序分析过程中时序路径的基本概念，分别介绍了FPGA中常见的4种时序路径：（1）引脚到寄存器（从FPGA的输入端口到目的寄存器的数据输入端口）（2）寄存器到寄存器（从源寄存器的时钟端口到目的寄存器的数据输入端口）（3）寄存器到引脚（从源寄存器的时钟端口到FPGA的输出端口） （4）引脚到引脚（从FPGA的输入端口到FPGA的输出端口）。这部分的内容是我们进行后续时序分析及时序约束的重要基础。