FPGA门级结构及其时序基础.ppt
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1、FPGAFPGA门级结构门级结构及其时序约束与分析基础及其时序约束与分析基础 江苏大学电气信息学院赵不贿1常用设计约束种类常用设计约束种类时序约束:时序约束:规范设计的时序行为,表达设计者期规范设计的时序行为,表达设计者期望满足的时序条件,指导综合和布局布线阶段的望满足的时序条件,指导综合和布局布线阶段的优化方法等。优化方法等。区域与位置约束:区域与位置约束:主要指芯片主要指芯片I/O引脚位置,以引脚位置,以及指导工具在芯片特定的物理区域进行布局布线。及指导工具在芯片特定的物理区域进行布局布线。其他约束:其他约束:目标芯片型号、电气特性等。目标芯片型号、电气特性等。时序约束的作用:时序约束的作
2、用:提高设计的工作频率;获得正提高设计的工作频率;获得正确的时序报告。确的时序报告。2几种常见的时序约束的基本概念几种常见的时序约束的基本概念1.周期与最高频率:周期与最高频率:通常指时钟所能达到的最高工作频率。通常指时钟所能达到的最高工作频率。2.时钟建立时间时钟建立时间tsu:指时钟到达前,数据和使能信号已经准指时钟到达前,数据和使能信号已经准备好的最小时间间隔。备好的最小时间间隔。3.时钟保持时间时钟保持时间th:指能保证有效时钟沿正确采样的数据和指能保证有效时钟沿正确采样的数据和使能信号在时钟沿之后的最小稳定时间间隔。使能信号在时钟沿之后的最小稳定时间间隔。4.时钟输出延时时钟输出延时
3、tco:指从时钟有效沿到数据有效输出的最大指从时钟有效沿到数据有效输出的最大时间间隔。时间间隔。5.引脚到引脚的延时引脚到引脚的延时tpd:信号从输入管脚进来到达输出管脚信号从输入管脚进来到达输出管脚的最大时间间隔。的最大时间间隔。:是否满足时序的称谓。正的是否满足时序的称谓。正的Slack表示满足时序,负的表示满足时序,负的Slack表示不满足时序。表示不满足时序。7.时钟偏斜时钟偏斜(clock shew):指一个同源时钟到达两个不同的指一个同源时钟到达两个不同的寄存器时钟端的时间差别。寄存器时钟端的时间差别。3主题FPGA优势FPGA结构SRAM与与Flip-Flop门级结构门级结构FP
4、GA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束FPGA优势优势4FPGAFPGA优势优势FPGA之所以流行,关键在于只要通过合适的编程,它就可以实现任意电路。相对于VLSI(超大规模集成电路)和MPGA(掩模可编程门阵列)等定制技术,使用标准FPGA有两个重要的优点:降低一次性费用(NRE)缩短上市时间 5一般地,生产第一款芯片的一次性费用需要一般地,生产第一款芯片的一次性费用需要10万到万到25万美元,相反,只要对万美元,相反,只要对FPGA编程就可以实现用户编程就可
5、以实现用户所需的功能,这样用户就不需要支付一次性费用。所需的功能,这样用户就不需要支付一次性费用。这使得这使得FPGA成为中小量产规模电路设计最廉价的实成为中小量产规模电路设计最廉价的实现方法。然而,现方法。然而,FPGA也为可编程特性付出了代价。也为可编程特性付出了代价。在在MPGA(掩模可编程门阵列)和(掩模可编程门阵列)和VSLI中,电路时中,电路时用金属线互联的,用金属线互联的,FPGA却一定要通过可编程开关来却一定要通过可编程开关来连接电路,这些开关比金属线的电阻大,从而引入连接电路,这些开关比金属线的电阻大,从而引入的大量的分布电容和寄生电容。实现同一功能,的大量的分布电容和寄生电
6、容。实现同一功能,FPGA面积也要比面积也要比MPGA大得多(约大得多(约10倍),速度却倍),速度却是是MPGA的的1/3。由于。由于FPGA市场竞争激烈,市场竞争激烈,FPGA的的供应商正努力寻找更好的结构以获得速度和密度上供应商正努力寻找更好的结构以获得速度和密度上的优势。的优势。FPGAFPGA优势优势6主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束FPGA结构7FPGAFPGA结构结构Xili
7、nx FPGA芯片的基本结构8FPGAFPGA结构结构(岛形FPGA结构)逻辑单元块逻辑单元块 连接盒连接盒 开关盒开关盒 可编程布线资源被配置成逻辑单元块之间或者从逻可编程布线资源被配置成逻辑单元块之间或者从逻辑单元块到输入辑单元块到输入/输出端口所需要的连接。输出端口所需要的连接。9FPGAFPGA结构结构FPGA芯片内部H型时钟树结构目的:保证时钟到达不同寄存器的时间同步,必要时采用锁相环10FPGAFPGA结构结构Quartus II 中Floor plan及其放大图两条白色的纵向线是其两条白色的纵向线是其DSP资源,而资源,而7条绿色的纵向线是其片内条绿色的纵向线是其片内RAM资源,
8、在这之间的浅蓝色部分是数量众多的资源,在这之间的浅蓝色部分是数量众多的LE资源资源11FPGAFPGA结构结构Quartus II 中底层查看LE的内部结构图12FPGAFPGA结构结构IOB中一个单元的结构图13主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束SRAM与Flip-Flop门级结构14主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时
9、序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束SRAM结构15实际逻辑电路实际逻辑电路查找表查找表(LUT)实现方式)实现方式输入输入ABCD输出输出F地址地址RAM中内容中内容000000000000010000100010000100001111111111基于SRAM查找表的FPGA161 RAMLUTABCDF&ACDFB16SRAMSRAM结构结构SRAM在FPGA中的功能示例17SRAMSRAM结构结构一个8KB的SRAM内部结构图18SRAMSRAM结构结构CMOS管与NMOS管构成的SRAM
10、存储单元19SRAMSRAM结构结构T2与T3导通时工作原理20主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束Flip-Flop结构21Flip-FlopFlip-Flop结构结构与非门组成的维持-阻塞边沿D触发器22主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从
11、寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束FPGA设计流程23FPGAFPGA设计流程设计流程FPGA设计流程对设计者对设计工具24FPGAFPGA设计流程设计流程EDA工具的详细综合流程25主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Flop结构从引脚到引脚从输入到寄存器从寄存器到输出从寄存器到寄存器输入延时约束输出延时约束寄存器延时约束FPGA时序路径26主题FPGA优势FPGA结构SRAM与Flip-Flop门级结构FPGA设计流程FPGA时序路径FPGA时序基础SRAM结构Flip-Fl
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- FPGA 结构 及其 时序 基础
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