FPGA因具備可編程、并行處理及低功耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜數(shù)字邏輯、硬件加速、數(shù)字信號(hào)處理、邊緣計(jì)算、深度學(xué)習(xí)算法加速等領(lǐng)域。當(dāng)前時(shí)鐘頻率越來越快，數(shù)據(jù)帶寬越來越大，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計(jì)中時(shí)序問題凸顯，這使得FPGA時(shí)序分析和時(shí)序約束在高頻且邏輯功能復(fù)雜的設(shè)計(jì)中越來越重要。

在交通領(lǐng)域，車輛行駛速度快、流量大，則易導(dǎo)致交通事故與擁堵； 車輛行駛速度慢、流量小，則浪費(fèi)交通資源且通行效率低。交通安全不應(yīng)僅靠限行限速，更需要合理調(diào)度公路資源、優(yōu)化交通規(guī)則，實(shí)現(xiàn)快速、安全通行。城市之間可以設(shè)計(jì)高速公路，城市之內(nèi)可以設(shè)計(jì)快速路，交叉路口設(shè)計(jì)智能紅綠燈，區(qū)域可以設(shè)計(jì)綠波路段，不斷提高交通資源的效率和利用率。

類比到FPGA邏輯設(shè)計(jì)中，高時(shí)鐘頻率和高帶寬如同提高車速和路寬，提升效率則容易引發(fā)數(shù)據(jù)阻塞、追尾和刮蹭。若要打造更快速、更穩(wěn)定的FPGA邏輯，不僅需要設(shè)計(jì)合理的邏輯功能，而且需要進(jìn)行時(shí)序分析并設(shè)計(jì)時(shí)序約束。換言之，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計(jì)既要會(huì)修路，還要會(huì)當(dāng)交警，時(shí)序分析和約束就是當(dāng)交警。

然而，在學(xué)習(xí) FPGA 時(shí)序分析和約束的過程中，我發(fā)現(xiàn)存在一些問題�；ヂ�(lián)網(wǎng)上雖然有大量官方手冊(cè)、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及論壇教程對(duì)其進(jìn)行說明，但大多是針對(duì)某一時(shí)序問題展開分析和約束，不利于研究者了解完整的時(shí)序框架，完整且系統(tǒng)地對(duì) FPGA 時(shí)序進(jìn)行分析和約束的資料相對(duì)匱乏。同時(shí)對(duì)實(shí)際工程邏輯代碼、時(shí)序分析公式、時(shí)序路徑框圖及時(shí)序報(bào)告進(jìn)行分析的案例較少，能夠?qū)�時(shí)序報(bào)告中各類延時(shí)繪制成時(shí)序圖，以幫助研究者直觀理解時(shí)序的資料更是寥寥無幾。

我在學(xué)習(xí)過程中做了一些努力。首先，有意識(shí)地構(gòu)建了一個(gè)時(shí)序框架把時(shí)序問題規(guī)范到一起，摒棄從網(wǎng)上照搬一知半解的解決方案，因?yàn)楹芏鄷r(shí)序問題可以采用不同的約束方案，只有理解全局后解決問題才變得游刃有余。其次，為不同時(shí)序問題設(shè)計(jì)工程邏輯代碼，依據(jù)時(shí)序分析公式、時(shí)序路徑框圖和時(shí)序報(bào)告對(duì)每一種時(shí)序問題進(jìn)行分析和約束，理解問題最好的方法就是仿真和實(shí)踐。最后，為了直觀地呈現(xiàn)時(shí)序路徑的延時(shí)，我將時(shí)序報(bào)告中的延時(shí)數(shù)據(jù)繪制到時(shí)序路徑中，并繪制了時(shí)序圖，使時(shí)序問題變得清晰、明確。

最初學(xué)習(xí)FPGA時(shí)序分析和約束的筆記是手寫稿，隨著整理內(nèi)容的不斷增多，我對(duì)時(shí)序問題也有了更多的心得與體會(huì)。為了方便閱讀和規(guī)范化，我將其整理為電子稿，后來又編撰成冊(cè)，希望能與廣大讀者產(chǎn)生共鳴。本書內(nèi)容相對(duì)全面，幾乎涵蓋了Vivado 支持的所有時(shí)序約束指令，且每個(gè)時(shí)序分析案例都附有完整的邏輯代碼、時(shí)序原理公式、時(shí)序圖和路徑圖，清晰、直觀且不枯燥。此外，書中還包含一些場(chǎng)景實(shí)例，能夠幫助讀者更好地理解時(shí)序概念和相關(guān)問題。

本書介紹了4種基本時(shí)序路徑分析、時(shí)鐘約束、輸入/輸出延時(shí)約束、時(shí)序例外約束和其他時(shí)序約束。讀者既可以按照順序依次閱讀，也可依據(jù)研究需要針對(duì)具體約束進(jìn)行查閱。需要強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)踐出真知，對(duì)于初學(xué)者來說，親自對(duì)案例進(jìn)行編譯和分析，自行繪制時(shí)序路徑和時(shí)序圖，會(huì)比單純閱讀更有助于深入理解。

最后，非常感謝清華大學(xué)出版社楊迪娜老師，為本書的立項(xiàng)、編輯和出版做了很多工作。感謝清華大學(xué)出版社對(duì)本書的認(rèn)可和支持。感謝天津大學(xué)董娜教授，在碩博6年的時(shí)間里對(duì)我精心指導(dǎo)，幫助我拓寬科研思路并提升寫作能力。感謝劉星和常斐然同學(xué)對(duì)行文和繪圖提出寶貴意見。

非常感謝單位領(lǐng)導(dǎo)張大鋼、李紅軍、王進(jìn)軍、劉劍鋒、朵慧智，在百忙之中抽出時(shí)間閱讀本書初稿，并提出了寶貴的建議和修改思路。還要感謝邢立佳、高廣杰、王高峰、杜金艷、李文健、梁志豪、秦法佳，他們是非常好的導(dǎo)師、朋友和工作伙伴，與他們共事十分愉快。

由于個(gè)人水平有限，書中難免存在缺陷或紕漏之處，懇請(qǐng)各位讀者諒解并批評(píng)指正。

常建芳2025年7月