1、让 XDC 时序约束为您效力作者：Adam Taylor e2v 公司首席工程师 aptaylortheiet.org时序和布局约束是实现设计要求的关键因素。本文是介绍其使用方法的入门读物。完成 RTL 设计只是 FPGA 设计量产准备工作中的一部分。接下来的挑战是确保设计满足芯片内的时序和性能要求。为此，您经常需要定义时序和布局约束。我们了解一下在基于赛灵思 FPGA 和 SoC 设计系统时如何创建和使用这两种约束。时序约束最基本的时序约束定义了系统时钟的工作频率。然而，更高级的约束能建立时钟路径之间的关系。工程师利用这类约束确定是否有必要对路径进行分析，或者在时钟路径之间不存在有效的时序关
2、系时忽视路径。默认情况下，赛灵思的 Vivado 设计套件会分析所有关系。然而，并非设计中的所有时钟之间都有可以准确分析的时序关系。例如当时钟是异步的，就无法准确确定它们的相位，如图 1 所示。图 1时钟域 CLK1 和 CLK2 相互之间异步。您可通过在约束文件中声明时钟组来管理时钟路径之间的关系。当声明时钟组时，Vivado 工具不会对组内定义的时钟之间的任何方向执行时序分析。为了有助于生成时序约束，Vivado 工具将时钟定义为三种类型：同步、异步或不可扩展。 同步时钟具有可预测的时序/相位关系。通常主时钟及其衍生时钟符合这种特性，因为它们具有公共的根起源和周期。 异步时钟之间不具备可预
3、测的时序/相位关系。通常不同的主时钟（及其衍生时钟)符合这种特性。异步时钟有不同的起源。 如果超过 1,000 个周期后，仍无法确定公共周期，那么两个时钟就是不可扩展的。如果是这种情况，将使用 1,000 个周期内的最差建立时间关系。不过，无法保证这就是实际的最差情况。使用 Vivado 生成的时钟报告来确定您所处理的时钟是哪种类型。该报告可帮助您识别异步和不可扩展时钟。声明多周期路径能实现更合适而且要求放松的时序分析，从而让时序引擎集中处理其它更关键的路径。识别出这些时钟后，您就可利用“set clock group”约束禁止它们之间的时序分析。Vivado 套件使用的是赛灵思设计约束 (X
4、DC)，其基于广泛使用的 Tcl 约束格式的 Synopsys 设计约束 (SDC)。通过 XDC 约束，您可使用以下命令定义时钟组：set_clock_groups -name -logically_exclusive -physically_exclusive -asynchronous -group-name 是为组赋予的名称。-group 选项是定义组成员（即没有时序关系的时钟）的位置。当有多个用来驱动时钟树的时钟源可供选择，包括 BUFGMUX 和 BUFGCTL，应使用 logically 和 physically exclusive 选项。从而，这些时钟不能同时出现在时钟树上。所
5、以，我们不希望 Vivado 分析这些时钟之间的关系，因为它们是互斥的。最后，asynchronous 约束可用来定义异步时钟路径。建立时序关系的最后一个方面是考虑时钟的非理想关系，尤其是抖动。您需要考虑两种形式的抖动：输入抖动和系统抖动。输入抖动出现在主时钟输入上，体现了实际跳变出现时间与理想条件下跳变出现时间之间的差异。系统抖动源自设计中存在的噪声。您可以使用 set_input_jitter 约束来定义每个主输入时钟的抖动。同时，使用 set_system_jitter 约束为整个设计( 所有时钟)设定系统抖动。时序例外当有时序例外时，您还必须关注已定义的时钟组内发生了什么。然而，什么是
6、时序例外呢？一种常见的时序例外是只有每隔一个时钟周期所采样的结果。另一种情况是将数据从慢时钟传输到更快的时钟（或相反)，其中两个时钟都是同步的。事实上，这两种时序例外一般被称为多周期路径，如图 2 所示。图 2多周期路径是一种时序例外的例子。为这些路径声明多周期路径能实现更合适而且要求放松的时序分析，从而让时序引擎集中处理其它更关键的路径。最后的益处是能够提高结果质量。您可以在 XDC 文件中使用以下 XDC 命令声明多周期路径：set_multicycle_path path_ multiplier -setup|-hold-start|-end-from -to -through当您声明多
7、周期路径时，实际上是将建立或保持(或二者皆有 )分析要求与 path_mutiplier 相乘。例如在上面的第一个实例中，每两个时钟周期有一次输出，因此对于建立时序而言 path_multiplier 是 2。由于多周期路径既可应用到建立时间又可应用到保持时间，那么您可以选择其应用位置。当您声明建立时间乘数时，最佳做法通常是使用下面的公式同时声明一个保持时间乘数。保持周期 = 建立乘数 1 保持乘数这对于我们所介绍的下列简单实例意味着，保持乘数由下面这个公式确定：保持乘数 = 建立乘数 1，当使用公共时钟时。为了演示多周期路径的重要性，我创建了一个简单实例，您可在这里下载。在 XDC 文件中有
8、一个实例包含了建立和保持这两个已被同时声明的多周期路径。物理约束最常用的物理约束是 I/O 引脚布局和与 I/O 引脚有关的参数定义，例如标准驱动强度。不过，还有其它类型的物理约束，包括布局、布线、I/O 和配置约束等。布局约束能够定义单元的位置，而布线约束可用来定义信号的布线。I/O 约束可用来定义 I/O 位置及其参数。最后，配置约束可用来定义配置方法。同样，也有一些约束不属于这几组约束。Vivado 设计套件包含三种这样的约束，它们主要用于网表中。 DONT_TOUCH 该约束可用来阻止优化，这样当实现安全关键型或高可靠性系统时该约束会非常有用。 MARK_DEBUG 该约束可用来保存
9、RTL 信号，以便随后用于调试。 CLOCK_DEDICATED_ROUTE 该约束可用来识别时钟布线。最常用的约束与 I/O 布局和 I/O 的配置有关。将 I/O 放在 FPGA 上，需要使用布局约束找到物理引脚，使用 I/O 约束配置 I/O 标准和斜率等 I/O 属性。现代化的 FPGA 支持多种单端和差分 I/O 标准。这些均可通过 I/O 约束来进行定义。不过，您必须确保遵守 I/O Banking 规则，这取决于最后的引脚布局。但什么是 I/O Banking 规则？将 FPGA 中的用户 I/O 分组为若干个 Bank，每个 Bank 包含多组 I/O。这些 Bank 具有独立
10、的电压源，能支持多种 I/O 标准。在 Zynq-7000 All Programmable SoC（以及其它 7 系列器件)中，I/O Bank 被进一步分为高性能和大范围这两个大的组别。这种类别划分能进一步约束性能，并要求工程师针对接口使用正确的类别。高性能 (HP) 类别针对更高的数据速率进行了精心优化。它使用更低的工作电压，而且不支持 LVCMOS 3v3 和 2v5。另一个是大范围 (HR) 类别，其可处理 HP 不支持的更多 I/O 标准。因此，HR 支持传统的 3v3 和 2v5 接口。图 3 给出了这些 Bank。图 3 赛灵思 7 系列器件上的高性能(左)和大范围 I/O B
11、ank当您决定为信号使用哪种 Bank 后，仍然可以更改信号驱动强度和斜率。这些都是硬件设计团队很感兴趣的指标，因为他们要努力确保单板的信号完整性达到最优。选择结果还会影响单板设计的时序。为此，您可以使用信号完整性工具。SI 工具需要 IBIS 模型。当您打开了 Impelmented Design 时，您可使用 File-Export-Export IBIS 模型选项从 Vivado 工具中提取设计的 IBIS 模型。然后，使用该文件关闭解决系统级 SI 问题和最终 PCB 布局的时序分析。如果设计团队整体上对 SI 性能以及系统的时序感到满意，您就会得到针对设计中 I/O 的多个约束，如下
12、所示。set_property PACKAGE_PIN G17 get_ports dout set_property IOSTAN- DARD LVCMOS33 get_portsdoutset_property SLEW SLOW get_ports doutset_property DRIVE 4 get_ ports dout对于 HP I/O Bank，您还可使用数控阻抗正确做 IO 端接并增加系统的 SI，无需使用外部端接方案。如果没有信号驱动 I/O，例如将 I/O 连接到外部连接器，这时您还必须考虑 I/O 的影响。这种情况下，您可使用 I/O 约束实现上拉或下拉电阻，以防止由
13、于 FPGA 输入信号悬置而导致系统问题。当然，您也可以使用物理约束在 I/O block 内放置最终的输出触发器，以改善设计的时序。这样做能缩短 clock to out 的时间。您也可以对输入信号做相同的处理，以使设计满足引脚到引脚的建立和保持时间要求。物理约束从布局开始您可能出于多种原因想对布局进行约束，例如帮助达到时序要求，或者在设计的不同区域间实现隔离。就此而言，有三种类型的约束很重要： BEL 将网表单元放在 slice 中的基本的逻辑元素。 LOC 将网表的单元放在器件内的一个位置。 PBlock 可使用物理 (或“P”)block 将逻辑 block 约束到 FPGA 的一个区
14、域。因此，LOC 允许在器件内定义一个 slice 或其它位置；BEL 约束可用来定义触发器在 slice 中使用的更精细粒度。当对设计的大面积区域进行分段时，PBlock 可用来将逻辑集合在一起。PBlock 的另一个用途是在执行部分重配置时定义逻辑区域。有些情况下，您需要将较小的逻辑功能放在一组，以确保时序达到最佳。尽管可以用 PBlock 来实现，但更常见的方法是使用相对放置的宏命令。相对放置的宏命令(RPM)允许将 DSP、触发器、LUT 和 RAM 等设计元素在布局中放在一起。与 PBlock 不同， RPM 不会将这些元素的位置约束在器件的特定区域(除非您想这样做),而是在布局时将
15、这些元素放在一起。将设计元素放在一起能实现两个目标。这样能改善资源效率，让您能够精细调节互联长度，以实现更好的时序性能。要将设计元素放在一起，可使用三种类型的约束，这些约束用 HDL 源文件进行定义。 U_SET 可定义一个与层级无关的单元 RPM 集。 HU_SET 可定义有层级的单元 RPM 集 RLOC 给定义好的 SET 分配相对位置。RLOC 约束被定义为 RLOC = XmYm，其中 X 和 Y 与 FPGA 阵列的坐标有关。当定义 RLOC 时，既可以用相对坐标也可以用绝对坐标，取决于您是否添加了 RPM_GRID 属性。添加这个属性后，该定义将成为绝对坐标而非相对的。由于这些约束在 HDL 中定义，如图 4 所示，因此在将约束添加到 HDL 文件之前，通常需要首先运行布局布线设计反复，以便正确定义布局。图 4 源代码中的约束总之，理解时序和布局约束并学习如何正确使用它们，对于在赛灵思可编程逻辑设计中获得最佳结果质量至关重要。
