FPGA基础知识7(从芯片手册获取参数FPGA时序约束--“CMOS Sensor接口时序约束”)

Posted 2020-08-02 Times_poem

需求说明：FPGA基本知识

内容       ：如何确定时序约束数值

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来源：http://www.61ic.com/Technology/embed/201304/48186.html

FPGA工程的功能框图如图所示。上电初始，FPGA需要通过IIC接口协议对摄像头模块进行寄存器初始化配置。这个初始化的基本参数，如初始化地址和数据存储在一个预先配置好的FPGA内嵌ROM中。在初始化配置完成后，摄像头就能够持续输出RGB标准的视频数据流，FPGA通过对其相应的时钟、行频和场频进行检测，从而一帧一帧的实时采集图像数据。

采集到的视频数据先通过一个FIFO，将原本25MHz频率下同步的数据流转换到100MHz频率下。接着讲这个数据再送入写SDRAM缓存的FIFO中，最终这个FIFO每满160个数据就会将其写入SDRAM的相应地址中。在另一侧，使用另一个异步FIFO将SDRAM缓存的图像数据送个LCD驱动模块。LCD驱动模块不断的读出新的现实图像，并且驱动3.5寸液晶屏工作。

由于这个工程是移植过来的，SDRAM的时序约束已经添加好并且很好的收敛了。但是，新增加的CMOS sensor的接口也需要做相应的时序约束。下面我们就来探讨下它的时序该如何做约束。

先看看CMOS Sensor的datasheet中提供的时序波形和相应的建立、保持时间要求。波形如图所示。

波形中出现的时间参数定义如下表所示。

我们可以简单分析下这个datasheet中提供的时序波形和参数提供了一些什么样的有用信息。我们重点关注PCLK和D[7:0]的关系，HREF其实也可以归类到D[7:0]中一起分析，他们的时序关系基本是一致的（如果存在偏差，也可以忽略不计）。这个波形实际上表达的是从Sensor的芯片封装管脚上输出的PCLK和D[7:0]的关系。而在理想状况下，经过PCB走线将这组信号连接到其他的芯片上（如CPU或FPGA），若尽可能保持走线长度，在其他芯片的管脚上，PCLK和D[7:0]的关系基本还是不变的。那么，对于采集端来说，用PCLK的上升沿去锁存D[7:0]就变得理所当然了。而对于FPGA而言，从它的管脚到寄存器传输路径上总归是有延时存在的，那么PCLK和D[7:0]之间肯定不会是理想的对齐关系。而我们现在关心的是，相对于理想的对齐关系，PCLK和D[7:0]之间可以存在多大的相位偏差（最终可能会以一个延时时间范围来表示）。在时序图中，Tsu和Th虽然是PCLK和D[7:0]在Sensor内部必须保证的建立时间和保持时间关系，但它同样是Sensor的输出管脚上，必须得到保证的基本时序关系。因此，我们可以认为：理想相位关系情况下，PCLK上升沿之前的Tsu时间（即15ns）到上升沿后的Th时间（即8ns）内，D[7:0]是稳定不变的。同样的，理想情况下，PCLK的上升沿处于D[7:0]两次数据变化的中央。换句话说，在D[7:0]保持当前状态的情况下，PCLK上升沿实际上在理想位置的Tsu时间和Th时间内都是允许的。请大家记住这一点，下面我们需要利用这个信息对在FPGA内部的PCLK和D[7:0]信号进行时序约束。

OK，明确了PCLK和D[7:0]之间应该保持的关系后，我们再来看看他们从CMOS Sensor的管脚输出后，到最终在FPGA内部的寄存器进行采样锁存，这整个路径上的各种“艰难险阻”（延时）。

在这个路径分析中，我们不去考虑CMOS Sensor内部的时序关系，我们只关心它的输出管脚上的信号。先看时钟PCLK的路径延时，在PCB上的走线延时为Tcpcb，在FPGA内部，从进入FPGA的管脚到寄存器的时钟输入端口的延时为Tcl。再看数据D[7:0]的延时，在PCB上的走线延时为Tdpcb，在FPGA内部的管脚到寄存器输入端口延时为Tp2r。而FPGA的寄存器同样有建立时间Tsu和保持时间Th要求，也必须在整个路径的传输时序中予以考虑。

另外，从前面的分析，我们得到了PCLK和D[7:0]之间应该满足的关系。那么，为了保证PCLK和D[7:0]稳定考虑的得到传输，我们可以得到这样一个基本的关系必须满足：

对于建立时间，有：

Launch edge + Tdpcb + Tp2r + Tsu < latch edge + Tcpcb + Tcl

对于保持时间，有：

Launch edge + Tdpcb + Tr2p < latch edge + Tcpcb + Tcl – Th

关于launch edge和latch edge，对于我们当前的设计，如下图所示。

在对这个FPGA的input接口的时序进行分析和约束之前，我们先来看看Altera官方是如何分析此类管脚的时序。

具体问题具体分析，我们当前的工程，状况和理想模型略有区别。实际上在上面这个模型的源寄存器端的很多信息都不用详细分析，因为我们获得的波形是来自于Sensor芯片的管脚。同理，我们可以得到input delay的计算公式如下。

Input max delay = (0 – Tcpcb_min) + Tco_max + Tdpcb_max

Input min delay = (0 – Tcpcb_max) + Tco_min + Tdpcb_min

在这两个公式中，参数Tco是前面我们还未曾提到的，下面我们就要分析下如何得到这个参数。Tco指的是理想情况下数据在源寄存器被源时钟锁存后，经过多长时间输入到管脚上。前面我们已经得到了PCLK和D[7:0]之间的关系，其实从已知的关系中，我们不难推断出Tco_max和Tco_min，如图所示。若PCLK的时钟周期为Tpclk，则：

Tco_max = Tpclk – Tsu

Tco_min = Th

在我们采样的CMOS Sensor图像中，PCLK频率为12.5MHz，即80ns。因此，我们可以计算到：

Tco_max = 80ns – 15ns = 65ns

Tco_min = 8ns

我们再看看PCB的走线情况，算算余下和PCB走线有关的延时。

如图所示，这是PCLK和D[7:0]在SF-CY3核心板上的走线。

如图所示，这是PCLK和D[7:0]在SF-SENSOR子板上的走线，在这个板子上的走线由匹配电阻分两个部分。

根据前面的走线长度，我们可以换算一下相应的走线延时，如下表所示。因此，我们可以得到，Tcpcb_max = 0.35ns，Tcpcb_min = 0.35ns，Tdpcb_max = 0.36ns，Tdpcb_min = 0.31ns。

信号名	SF-CY3走线长度	SF-SENSOR走线长度1	SF-SENSOR走线长度2	总长度(mm)	延时(ns)
PCLK	18	27.7	6	51.7	0.346023622
VD0	16.8	24.9	9.1	50.8	0.34
VD1	19.5	26.8	6	52.3	0.35003937
VD2	16.2	25	9.1	50.3	0.336653543
VD3	18.9	27.8	6	52.7	0.352716535
VD4	15.9	24.8	9.1	49.8	0.333307087
VD5	18.7	28.5	6	53.2	0.356062992
VD6	15.3	24.8	9.1	49.2	0.329291339
VD7	18.7	27.8	6	52.5	0.351377953
HREF	14.6	23.8	9.1	47.5	0.317913386

将上面得到的具体数值都代入公式，得到：

Input max delay = (0 – 0.35ns) + 65ns + 0.36ns = 65.01ns

Input min delay = (0 – 0.35ns) + 8ns + 0.31ns = 7.96ns

加上一些余量，我们可以去input max delay = 66ns，input min delay = 7ns。

下面我们来添加时序约束，打开TimeQuest，点击菜单栏的ContraintsàCreat Clock，做如下设置。

点击ContraintsàSet Maximum Delay，对vdb[0] vdb[1] vdb[2] vdb[3] vdb[4] vdb[5] vdb[6] vdb[7] vhref的set_max_delay做如下设置。

点击ContraintsàSet Minimum Delay，对vdb[0] vdb[1] vdb[2] vdb[3] vdb[4] vdb[5] vdb[6] vdb[7] vhref的set_min_delay做如下设置。

约束完成后，参照前面章节Update Timing Netlist并且Write SDC File…，接着就可以重新编译整个工程，再来看看这个时序分析的报告。在报告中，数据的建立时间有9-13ns的余量，而保持时间也都有7-11ns的余量，可谓余量充足。

另外，我们也可以专门找一条路径出来，看看它的具体时序路径的分析。vd[0]这条数据线的建立时间报告中，66ns的input max delay出现在了Data Arrival Path中。

而在vd[0]的保持时间报告中，7ns的input min delay则出现在了Data Arrival Path中。