altera小实验——TimeQuest Timing Analyzer初步使用

时序分析是FPGA开发过程中极为重要的一环。在一些简单的工程中时序约束可能会被忽略，但是时序约束仍然是保证系统正常工作的关键因素之一。quartus ii的时序约束可以通过TimeQuest Timing Analyzer来完成。

参考《FPGA现代数字系统设计及应用》

1.TimeQuest基本流程

TimeQuest时序约束是作用在门级网表上的，因此在进行时序约束前应该首先编译一边工程，之后进行时序约束并再次编译进行时序分析，直至无时序错误为止，之后烧写工程下板子。

2.实验代码

所用板子为altera DE2板子，FPGA为Cyclone II:EP2C35F672C6，quartus版本为13.0

实例化的pll，输入时钟为50M的CLOCK_50，输出为25M和10M的clk_25m与clk_10m时钟。

module work (  
  CLOCK_50,         // On Board 50 MHz  
  KEY,              // Pushbutton[3:0]  
  SW,               // Toggle Switch[17:0]  
  LEDR
);
input         CLOCK_50;   // On Board 50 MHz  
input  [3:0]  KEY;        // Pushbutton[3:0]  
input  [17:0] SW;         // Toggle Switch[17:0]  
output [17:0] LEDR;       // LED Red[17:0]  
wire ret, clk, clk_25m, clk_10m;
pll (
  .inclk0(CLOCK_50)
  ,.c0   (clk_25m)
  ,.c1   (clk_10m)
);
assign clk = CLOCK_50;
assign rst = !KEY[3];
reg [3:0]counter1, counter2, counter3;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    // reset
    counter1 <= 0;
  end
  else begin
    counter1 <= counter1 + 1;
  end
end
always @(posedge clk_25m or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    // reset
    counter2 <= 0;
  end
  else begin
    counter2 <= counter2 + 1;
  end
end
always @(posedge clk_10m or posedge rst) begin
  if (rst) begin
    // reset
    counter3 <= 0;
  end
  else begin
    counter3 <= counter3 + 1;
  end
end
assign LEDR[0] = (counter1==4'b1111) ? 1:0;
assign LEDR[1] = (counter2==4'b1111) ? 1:0;
assign LEDR[2] = (counter3==4'b1111) ? 1:0;
endmodule

3.实验流程

1).预编译

建立工程，键入代码，分配管脚，编译工程得到门级网表。

此时编译后，时序约束报表处为红色代表时序有错，不过一般对于这种小程序来说，一样是可以运行的。

此时会报警告：

Critical Warning (332012): Synopsys Design Constraints File file not found: 'work.sdc'. A Synopsys Design Constraints File is required by the TimeQuest Timing Analyzer to get proper timing constraints. Without it, the Compiler will not properly optimize the design.

2).调出TimeQuest工具

Tools->TimeQuest Timing Analyzer打开时序约束工具。

3).创建时序分析网表

点击Netlist->Create Timing Netlist来创建一个新的约束网表，由于输入的门级网表是综合后适配的因此选择post-fit。

当然所有这些任务都可以通过tcl脚本语言来实现，如图中的tcl command。

speed grade应该是跟器件有关。

4).创建时钟

Constraints->Create Clock，在对话框中填写系统时钟信息。

Clock name可以自己命名，之后将其与实际的时钟端口对应就可以。

period是周期，要与实际周期一致，板子上的时钟引脚是50M，因此键入20ns。

waveform edges是上升沿与下降沿。

Targets为对应的时钟管脚，这里对应了CLOCK_50。

之后点击run即可。

5).设置非理想时钟。

我们所使用的时钟都是非理想的，一般要给时钟流出余量。

latency是寄存器时钟信号与时钟源信号之间的相位差；uncertainty是寄存器与寄存器之间的时钟信号相位差，在此对uncertainty进行设置。

constraints->Set Clock Uncertainty，设置时钟源的setup uncertainty为1ns。

6).设置输入延时

模块的输入延时与输出延时都是可以估算的，一般是自行给一个估计的数值，以便工具计算内部逻辑延时约束。

在此，按照书上所建议，对输入端口的时钟预留40%的外部延时时间即8ns。

Constraints->Set Input Delay

7).设置输出延时

Constraints->Set Output Delay

8).设置pll时钟约束

Constraints->Derive PLL Clocks

可直接生成pll时序约束。

9).查看时钟设置。

在tasks页面中的diagnostic-Report Clocks中可以查看时钟约束情况。

10).写出SDC文件。

Constraints->Write SDC Files，保存文件。

11).查看SDC文件

在work文件夹下可以查看.sdc文件，其中为对应的tcl时序约束脚本。

12).添加约束文件

在工程界面右键，Settings->TimeQuest Timing Analyzer，点击添加.sdc文件。

13).编译工程

此时可以看到.sdc文件已经添加，再次编译工程，可以看到时序报告已经不是红色了。

14).查看报告并烧写