ソース・シンクロナス・インターフェイスの制約を学ぶ：必修！ FPGAタイミング解析の基礎（4）（1/4 ページ）

今回はデータをクロックとともに送信する「ソース・シンクロナス方式」のインターフェイスのタイミング制約を解説する。

[小原成介（日本アルテラ），＠IT MONOist]

　前回「共通クロック・インターフェイスの制約を学ぶ」ではI/Oタイミングの制約の1回目として、「共通クロック方式」の制約方法を解説しました。

　今回は2つ目のインターフェイス方式、「ソース・シンクロナス方式」の制約方法について解説します。

　ソース・シンクロナス方式とは、データをクロックとともに送信する方式です。クロックの立ち上がりエッジだけ合わせて、データを送る「シングル・データ・レート（SDR）」と、立ち上がり、立ち下がりの両エッジに合わせてデータを送る「ダブル・データ・レート（DDR）」がよく使われます（図1）。どちらも考え方は同じですが、DDRの場合は立ち下がりエッジに対する制約が必要になります。

図1　SDRとDDR

　タイミング制約の観点からは、クロックとデータの位相関係で2つに分ける方が考えやすくなります。ここでいう2つとは「エッジ・アライン」と「センター・アライン」のことです。エッジ・アラインは、送信するデータとクロックの位相がそろっている場合です。受信デバイスがクロックを遅らせて、データを取り込む必要があります。一方、センター・アラインは、送信するデータの中央にクロック・エッジが来る場合です（図2）。

図2　エッジ・アラインとセンター・アライン

エッジ・アラインのSDR入力制約

　まず、エッジ・アラインのSDRの入力制約を考えてみましょう。

　外部のタイミング・スペックを、図3に示します。相手側、送信デバイスの出力ACスペックは、普通、送信クロックに対するスキュー「Tskew」として定義されます。クロックに対して、データが最も早く出力される場合のスキューが「Tskew_min」、最も遅い場合のスキューが「Tskew_max」です。

　図3には「データ有効ウィンドウ（Data Valid Window）」が描かれています。条件によらずデータが有効となる時間のことで、最も早いデータと、最も遅いデータが重なる部分を指します。メーカーによっては、データ有効ウィンドウでスペックを定義する場合もあります。

　次にボードのタイミング条件です。データの伝搬遅延の最大値と最小値を、「Tdata_max」「Tdata_min」で、クロックの伝搬遅延を「Tclk_max」「Tclk_min」で表します。

　制約のためのデータの遅延時間は、FPGAの入力ポートで定義します。FPGAのデータ入力「DATAIN」とクロック入力「CLKIN」の関係を考えると、「Tskew」よりも「Tdata」だけ遅延が大きくなり、「Tclk」だけ小さくなります。そこで、最大と最小の遅延時間はそれぞれ以下の式で表されます。

＜最大データ遅延時間＞ ＝ Tskew_max ＋ Tdata_max − Tclk_min
＜最小データ遅延時間＞ ＝ −Tskew_min ＋ Tdata_min − Tclk_max 

　クロックの定義も含めて書くと、タイミング制約は以下のようになります。＜最大（最小）データ遅延時間＞は、上の式から算出した値で置き換えます。＜クロック周期＞はもちろん、クロックの周期の値で置き換えてください。

create_clock -name clkin -period ＜クロック周期＞ [get_ports CLKIN]
create_clock -name vclk -period ＜クロック周期＞
 
set_input_delay -clock vclk -max ＜最大データ遅延時間＞ [get_ports DATAIN]
set_input_delay -clock vclk -min ＜最小データ遅延時間＞ [get_ports DATAIN] 

図3　SDRエッジ・アライン入力

センター・アラインのSDR入力制約

　続いて、センター・アラインの外部のタイミング・スペックを、図4に示します。送信デバイスの出力ACスペックは、送信クロックに対する遅延「Tco」として定義されます。エッジ・アラインの場合と同様に、データとクロックの伝搬遅延を「Tdata」「Tclk」で表します。

　データの遅延時間は、エッジ・アラインの場合とあまり違いはありません。ただし、「Tco_min」は「Tskew_min」と時間軸を逆に取っているので注意してください。

＜最大データ遅延時間＞ ＝ Tco_max ＋ Tdata_max − Tclk_min
＜最小データ遅延時間＞ ＝ Tco_min ＋ Tdata_min − Tclk_max 

　クロックの定義も含めて書くと、タイミング制約は以下のようになります。やはり、＜＞内はそれぞれの数値に置き換えます。

create_clock -name clkin -period ＜クロック周期＞ [get_ports CLKIN]
create_clock -name vclk -period ＜クロック周期＞
 
set_input_delay -clock vclk -max ＜最大データ遅延時間＞ [get_ports DATAIN]
set_input_delay -clock vclk -min ＜最小データ遅延時間＞ [get_ports DATAIN] 

図4　SDRセンター・アライン入力