2. Lattice FPGA时序基础与静态时序分析
时序收敛的本质，是让每一组“发射沿—数据路径—捕获沿”的关系都满足建立与保持的双重约束。Lattice FPGA 的静态时序分析（STA）不依赖激励向量，而是把设计拆解成时序路径，逐条计算到达时间与要求时间，再给出裕量（Slack）。理解 STA，先要理解它衡量的四个基本量：建立时间、保持时间、时钟偏斜与抖动。
建立时间与保持时间：捕获端的双重窗口
建立时间 Tsu 指数据必须在捕获时钟有效沿之前稳定的最短时间；保持时间 Th 指有效沿之后数据仍需保持稳定的最短时间。二者共同在捕获沿两侧划出一个“禁止跳变窗口”，数据穿越窗口就会导致亚稳态或误采样。
以 Lattice ECP5 的通用寄存器为例，数据从发射寄存器经组合逻辑到达捕获寄存器，建立关系可写成：
Tclk_period ≥ Tco + Tlogic + Trouting + Tsu − Tskew
Slack_setup = 要求时间 − 到达时间
= (Tclk_period + Tskew) − (Tco + Tlogic + Trouting + Tsu)保持关系则与时钟周期无关，只比较同一沿附近的数据保持能力：
Slack_hold = (Tco + Tlogic + Trouting) − (Th + Tskew)这里约定：Tskew 定义为捕获时钟到达时刻减去发射时钟到达时刻，正值表示捕获沿“来得更晚”。全文与图示均采用这一约定。若 Tskew 为正，建立裕量增大、保持裕量减小；反之则相反。这正是偏斜治理中“不能只盯建立”的原因。
时钟偏斜与抖动：两类不同的时钟不确定性
时钟偏斜是空间概念：同一时钟域内，因走线长度、缓冲级数、时钟树结构不同，各寄存器收到的时钟沿存在固定的到达时间差。抖动是时间概念：同一节点上，时钟沿相对理想位置随周期波动，包括随机抖动与确定性抖动。STA 通常把抖动折算为时钟不确定度（Uncertainty），从要求时间中扣除；偏斜则通过时钟树分析或显式约束参与计算。
时序路径分类：四条路径，四种约束
Lattice Timing Analyzer 把路径分为四类，每类的起止点和约束方式都不同：
- 输入到寄存器：从器件输入引脚经外部器件到内部寄存器，用
set_input_delay描述。 - 寄存器到寄存器：完全在 FPGA 内部，由时钟周期与时钟不确定性约束，是时序收敛的主战场。
- 寄存器到输出：从内部寄存器经输出逻辑到引脚，用
set_output_delay描述。 - 输入到输出（纯组合）：不经过寄存器，需用
set_max_delay或虚拟时钟单独约束。
此外还有跨时钟域路径与异步复位路径，前者通常用 set_clock_groups 或 set_false_path 声明为伪路径，后者需检查恢复/移除时间。分类的意义在于：只有先判断路径属于哪一类，才能选对约束命令，否则约束再紧也只是“错位的努力”。
Lattice Timing Analyzer 工具链概览
Lattice 的 STA 能力主要集成在 Diamond 与 Radiant 两条工具链中。Diamond 面向 ECP5、MachXO 等器件，使用 TRACE 引擎；Radiant 面向 CrossLink-NX、Certus-NX、Mach-NX 等新一代器件，使用 Timing Analyzer 视图。两者流程一致：综合后生成网表，映射布局布线后提取实际延迟，再执行时序分析。
典型使用路径如下：
- 在
.lpf（Diamond）或.pdc（Radiant）约束文件中定义时钟、输入输出延迟与伪路径。 - 运行布局布线，工具自动调用时序引擎。
- 打开 Timing Analyzer，查看 Summary 中的 WNS（最差建立裕量）、TNS（总负裕量）、WHS（最差保持裕量）、THS。
- 在 Path 列表中定位关键路径，查看其起点、终点、逻辑级数与各级延迟。
判断收敛的常用标准是：WNS ≥ 0 且 WHS ≥ 0，同时 TNS 与 THS 为 0。若 WNS 为负，说明存在建立违例；若 WHS 为负，说明保持违例。前者通常通过降低逻辑级数、优化布局或放宽周期解决；后者多与偏斜过大或路径过短有关，可通过插入延迟或调整时钟树改善。
一个可复用的时序检查清单
| 检查项 | 关注内容 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 时钟定义 | 主时钟、生成时钟、PLL 输出是否全部约束 | Timing Analyzer 中无未约束时钟 |
| 输入输出延迟 | 外部器件 Tco/Tsu/Th 与板级走线是否折算 | IO 路径裕量合理，不过松也不过紧 |
| 跨时钟域 | 同步器是否存在，是否声明 clock_groups | 无跨域误报，无真实违例被掩盖 |
| 伪路径 | 异步复位、静态配置、测试逻辑是否排除 | 伪路径列表可追溯、有依据 |
| 裕量汇总 | WNS/TNS/WHS/THS 是否全部达标 | 四项均满足，且留有一定余量 |
把这张清单与前面的路径分类对应起来，就能形成“先分类、再约束、后看裕量”的闭环。下一阶段的实际收敛工作，都将围绕这四类路径和四个裕量指标展开。