Xilinx FPGA编程技巧之常用时序约束详解

1.   基本的约束方法

为了保证成功的设计，所有路径的时序要求必须能够让执行工具获取。最普遍的三种路径为：

• 输入路径（Input Path），使用输入约束
• 寄存器到寄存器路径（Register-to-Register Path），使用周期约束
• 输出路径（Output Path），使用输出约束
• 具体的异常路径（Path specific exceptions），使用虚假路径、多周期路径约束

1.1.  输入约束Input Constraint

　　OFFSET IN约束限定了输入数据和输入时钟边沿的关系。

1.1.1.   系统同步输入约束System Synchronous Input

　　在系统同步接口中，同一个系统时钟既传输数据也获取数据。考虑到板子路径延时和时钟抖动，接口的操作频率不能太高。

1‑1简化的系统同步输入SDR接口电路图

1‑2SDR系统同步输入时序

上述时序的约束可写为：

　　NET "SysClk" TNM_NET = "SysClk";

　　TIMESPEC "TS_SysClk" = PERIOD "SysClk" 5 ns HIGH 50%;

　　OFFSET = IN 5 ns VALID 5 ns BEFORE "SysClk";

1.1.2.   源同步输入约束Source Synchronous Input

　　在源同步接口中，时钟是在源设备中和数据一起产生并传输。

1‑3简化的源同步输入DDR接口电路

1‑4DDR源同步输入时序

上图的时序约束可写为：

　　NET "SysClk" TNM_NET = "SysClk";

　　TIMESPEC "TS_SysClk" = PERIOD "SysClk" 5 ns HIGH 50%;

　　OFFSET = IN 1.25 ns VALID 2.5 ns BEFORE "SysClk" RISING;

　　OFFSET = IN 1.25 ns VALID 2.5 ns BEFORE "SysClk" FALLING;

1.2.  寄存器到寄存器约束Register-to-Register Constraint

寄存器到寄存器约束往往指的是周期约束，周期约束的覆盖范围包括：

• 覆盖了时钟域的时序要求
• 覆盖了同步数据在内部寄存器之间的传输
• 分析一个单独的时钟域内的路径
• 分析相关时钟域间的所有路径
• 考虑不同时钟域间的所有频率、相位、不确定性差异

1.2.1.   使用DLL, DCM, PLL, and MMCM等时钟器件自动确定同步关系

　　使用这一类时钟IP Core，只需指定它们的输入时钟约束，器件将自动的根据用户生成IP Core时指定的参数约束相关输出，不需用户手动干预。

1‑5输入到DCM的时钟约束

上图的时序约束可写为：

　　NET “ClkIn” TNM_NET = “ClkIn”;

　　TIMESPEC “TS_ClkIn” = PERIOD “ClkIn” 5 ns HIGH 50%;

1.2.2.   手动约束相关联的时钟域

　　在某些情况下，工具并不能自动确定同步的时钟域之间的时钟时序关系，这个时候需要手动约束。例如：有两个有相位关系的时钟从不同的引脚进入FPGA器件，这个时候需要手动约束这两个时钟。

1‑6通过两个不同的外部引脚进入FPGA的相关时钟

上图的时序约束可写为：

　　NET“Clk1X"TNM_NET=“Clk1X";

　　NET“Clk2X180"TNM_NET=“Clk2X180";

　　TIMESPEC"TS_Clk1X"=PERIOD"Clk1X 7 5ns;

　　TIMESPEC"TS_Clk2X180"=PERIOD"Clk2X180“TS_Clk1X/2PHAS2 +1.25ns;

1.2.3.   异步时钟域

　　异步时钟域的发送和接收时钟不依赖于频率或相位关系。因为时钟是不相关的，所以不可能确定出建立时间、保持时间和时钟的最终关系。因为这个原因，Xilinx推荐使用适当的异步设计技术来保证对数据的成功获取。Xilinx约束系统允许设计者在不需考虑源和目的时钟频率、相位的情况下约束数据路径的最大延时。

异步时钟域使用的约束方法的流程为：

• 为源寄存器定义时序组
• 为目的寄存器定义时序组
• 使用From-to和DATAPATHDELAY关键字定义寄存器组之间的最大延时

1.3.  输出约束Output Constraint

　　输出时序约束约束的是从内部同步元件或寄存器到器件管脚的数据。

1.3.1.   系统同步输出约束System Synchronous Output Constraint

　　系统同步输出的简化模型如图所示，在系统同步输出接口中，传输和获取数据是基于同一个时钟的。

1‑7系统同步输出

其时序约束可写为：

　　NET "ClkIn" TNM_NET = "ClkIn";

　　OFFSET = OUT 5 ns AFTER "ClkIn";

1.3.2.   源同步输出约束Source Synchronous Output Constraint

　　在源同步输出接口中，时钟是重新产生的并且在某一FPGA时钟的驱动下和数据一起传输至下游器件。

1‑8源同步输出简化电路时序图

1‑9源同步小例子时序图

小例子的时序约束可写为：

　　NET “ClkIn” TNM_NET = “ClkIn”;

　　OFFSET = OUT AFTER “ClkIn” REFERENCE_PIN “ClkOut” RISING;

　　OFFSET = OUT AFTER “ClkIn” REFERENCE_PIN “ClkOut” FALLING;

1.3.3.   虚假路径约束False Path Constraint

　　令SRC_GRP为一组源寄存器，DST_GRP为一组目的寄存器，如果你确定SRC_GRP到DST_GRP之间的路径不会影响时序性能，那么可以将这一组路径约束为虚假路径，工具在进行时序分析的时候将会跳过对这组路径的时序分析。这种路径最常见于不同时钟域的寄存器数据传输，如下图：

1‑10虚假路径

其约束可写为：

　　NET "CLK1" TNM_NET = FFS "GRP_1";

　　NET "CLK2" TNM_NET = FFS "GRP_2";

　　TIMESPEC TS_Example = FROM "GRP_1" TO "GRP_2" TIG;

1.3.4.   多周期路径约束Multi-Cycle Path Constraint

　　在多周期路径里，令驱动时钟的周期为PERIOD，数据可以最大n*PERIOD的时间的从源同步元件传输到目的同步元件，这一约束降低工具的布线难度而又不会影响时序性能。这种约束通常用在有时钟使能控制的同步元件路径中。

图 1-11时钟使能控制的寄存器路径

必须说明的是上图Enable信号的产生周期必须大于等于n*PERIOD，且每个Enable传输一个数据。假设上图的n=2，MC_GRP为时钟使能Enable控制的多周期同步元件组，则约束可写为：

　　NET "CLK1" TNM_NET = "CLK1";

　　TIMESPEC "TS_CLK1" = PERIOD "CLK1" 5 ns HIGH 50%;

　　NET "Enable" TNM_NET = FFS "MC_GRP";

　　TIMESPEC TS_Example = FROM "MC_GRP" TO "MC_GRP" TS_CLK1*2;