xilinx fpga学习笔记7：时序约束原理

七、设计约束原理

设计约束文件直接影响设计性能和设计效率。xilinx的ISE软件提供了实现不同类型约束的方法：

    1、用户约束文件（User Constraints File，UCF）是一个ASCII文件，该文件指明了用于逻辑设计的约束。设计者可以使用文本编  辑器或约束编辑器来创建UCF文件。这些约  束影响逻辑设计在目标器件的实现方式。设计者可以使用UCF文件来覆盖在设计  入口所声明的约束。UCF文件是NGDBuild的输入。UCF文件将成为生成后的NGD文件的  一部分，对于FPGA芯片来说，当  设计被映射时，将使用这些约束中的一部分，并将其中的一部分约束写入到MAP所生成的物理约束（Physical
Constraints   File，PCF） 文件中。PCF文件被物理设计工具使用（比如PAR和时序分析工具），在设计映射后，将运行物理设计工具。

          在下面的文件中可以找到逻辑约束条件：

  （1）网表约束文件（Netlist Constraints File，NCF）是由综合工具生成的ASCII文件。

  （2）UCF文件使由用户生成的ASCII文件。

   
 NCF文件和UCF文件的通用规则包括：

  （1）UCF和NCF文件使大小写敏感的。

  （2）每一个描述使用个“；”结束。

  （3）当描述超过一行时，不需要使用连接符进行连接（由于分号“；”表示结束）。

  （4）xilinx推荐设计者将相似的块和元件构成一个组进行一个时序约束，而不需要分别进行约束。

  （5）UCF和NCF文件的注释使用“#”符号开头。       

     #file TEST.UCF

#net constraints for TEST design

NET"$SIG_0 MAXDELAY" = 10;

NET"$SIG_1 MAXDELAY" = 12 ns;

  （6）在UCF和NCF文件中，描述不需要规则先后顺序。

  （7）将NET和INST名字用双引号括住表示。

  （8）设计人员可以对一个给定的实例进行多个约束。

INST myInst LOC = P53 | IOSTANDARD = LVPECL33 | SLEW = FAST ;

          如果出现约束冲突时，UCF覆盖NCF和原理图/网表的约束。NCF覆盖原理图/网表约束。

    PCF文件使一个ASCII文件，其中包含两部分：

  （1）由映射工具产生的物理约束。

  （2）由用户输入的物理约束。

     2、时序约束原理

xilinx软件允许设计者为设计指定精确的时序要求。使用全局或者路径指定的约束，来指定这些要求。用于指定时序约束的  基本方法是在用户约束文件中输入这些约束，此外，能在源文件（HDL和原理图）中输入约束。一旦设计者定义了时序规范和  映射了设计，PAR基于这些要求布局和布线设计。使用命令行工具TRACE或者时序分析器来分析指定时序要求的结果。

  当一个网络有多处时序约束时，XST以下面的顺序来处理时序约束。

  a、信号上指定的约束。

  b、顶层模块指定的约束。

  c、顶层模块的全局约束。

  时序约束会对设计产生影响，所以要谨慎的使用时序约束的条件。

  在XST约束文件中，支持下面8中时序约束类型。

1）FROM-TO：定义了两个群组之间的时序约束。一个组可以使用户定义或者是预定义的（FFS,PADS,RAMS）。下面给     该约束的文字描述：

TIMESPEC "TSname" = FROM "group1" TO "group2" value ;

       FROM-TO支持下面的预定义组：

（1）CPUS：PPC405处理器。

（2）DSPS：DPS45。

（3）FFS：所有的CLB和IOB沿触发的触发器、LUT移位寄存器、DDR寄存器。

（4）HSIOS：GT和GT10。

（5）LATCHES：所有CLB和IOB电平敏感的触发器。

（6）MULTIS：所有的同步/异步乘法器。

（7）PADS：所有I/O引脚。

（8）RAMS：所有CLB LUT RAM。

（9）BRAMS_PORTA,BRAMS_PORTB：所有双端口BRAM的端口A或B。

TIMESPEC "TS01" = FROM FFS TO FFS 30;

TIMESPEC "TS02" = FROM LATCHES TO LATCHES 25;

TIMESPEC "TS03" = FROM PADS TO RAMS 70;

TIMESPEC "TS04" = FROM FFS TO PADS 55;

TIMESPEC "TS05" = FROM BRAMS_PORTA TO BRAMS_PORTB(gork *);

       2）OFFSET：它指定了一个外部时钟和相关的输入/输出数据引脚之间的时序关系。OFFSET只用于和引脚相关的信号，    不能用来对设计的内部信号进行扩展到达时间说明（即使用OFFSET约束）。该约束可以使设计者：计算来自外部网络 
  时钟和数据触发器的建立时间是否冲突；并且指明了来自一个内部触发器（该触发器由芯片外部的时钟引脚驱动）的Q    输出的外部输出网络的延迟。

OFFSET = {IN|OUT}"offset_time"[units]{BEFORE|AFTER}"clk_name"[TIMEGRP"group_name"];

    如图所示：通过一个例子来说明该约束条件：





    （1）OFFSET IN BEFORE:该约束定义了对数据从引脚传输到同步元件的可用时间。这个时间就是在下个时钟沿到 达芯片前，数据与这个沿的时间差。

  从该例子中可以看出时序有如下关系：

Tdata + Tsu - Tclk ≤ Tin_before

其中：Tsu为内在的触发器建立时间；Tclk为到触发器的总的时钟路径延迟；Tdata为从触发器的总的数据   路径延迟；Tin_before为整个建立要求。

        当Tin_before = 20ns，可以作如下定义：

NET "DATA_IN" OFFSET = IN 20.0 BEFORE "CLK_SYS" ;

    （2）OFFSET IN AFTER：OFFSET减去时钟的周期PERIOD确定了数据从引脚和在元件上建立可用的时间。

        根据前面的图很容易得到这个时序关系：

Tdata + Tsu - Tclk ≤ Tp - Tin_after

其中：Tsu为内在的触发器的建立时间；Tclk为到触发器的总的时钟路径延迟；Tdata为从触发器的总的路   径延迟；Tp为单个周期要求；Tin_after为整个建立要求；

        当Tin_after = 30ns，可以作如下定义：

NET "DATA_IN" OFFSET = IN 30.0 AFTER "CLK_SYS" ;

    （3）OFFSET OUT AFTER:该约束定义对数据从同步元件到引脚可用的时间。这个时间可以看成是当前时候沿到达 芯片后数据离开芯片的时间差。 

  根据上图所示，很容易得到下面的时序关系：

Tq + Tco + Tclk ≤ Tout_after

其中：Tco为内在的触发器时钟到输出的时间；Tclk为到触发器的总的时钟路径延迟；Tq为从触发器的总的   数据路径延迟；Tin_after为整个时钟到输出的要求；

 
当Tout_after = 35ns时，可以作如下定义：

NET "Q_OUT" OFFSET = OUT 35.0 AFTER "CLK_SYS";

    （4）OFFSET OUT BEFORE:该约束定义了达到FPGA的外部数据的时间。OFFSET从时钟周期PERIOD减去这个时 间确定了对从同步元件到引脚数据可用的时间。 

  根据前面所示，很容易得到下面的时序关系：

Tq + Tco + Tclk ≤ Tp - Tout_before

其中：Tco为内在的触发器时钟到输出的时间；Tclk为到触发器的总的时钟路径延迟；Tq为从触发器的总的   数据路径延迟；Tp为单个周期要求；Tin_before为整个时钟到输出的要求；

 
当Tout_before = 15ns时，可以作如下定义：

NET "Q_OUT" OFFSET = OUT 15.0 BEFORE "CLK_SYS";

3）TIG：TIG约束引起贯穿指定网络的路径被时序分析和优化忽略。该约束能用于所影响信号的名字。

Net "netname" TIG ;

TIMESPEC "TSidentifier" = FROM "source_group" TO "dest_group" TIG ;

4）TIMEGRP:是一个基本的组约束。除组命名使用TNM标识符外，设计中可以从其他组来定义自己的组。通过定义      TIMEGRP约束，设计者可以定义与已存在组的关联的组。

TIMEGRP "netgroup" = "existing_grp1" "existing_grp2" ["existing_grp3"...];

TIMEGRP "big_group" = "small_group" "medium_group";

5）TNM：是一个基本的组约束。使用TNM来识别组成组的元素，这些元素FFS、RAMs、LATCHES、PADS、    
     BRAMS_PORTA、BRAMS_PORTB、CPUS,HSIOS和MULTS。

{NET|INST|PIN} "net_or_pin_inst_name" TNM = [predefined_group] identifier;

6)TNM Net：除了输入引脚网络外，和TNM是一样的。XST为时序分析的时序模型考虑了逻辑延迟和网络延迟。这些延迟   的大小取决于芯片的速度等级。这些延迟也取决于所选择的技术（比如Virtex和Virtex-E芯片）。逻辑延迟数据和 
 Trace（布局布线后的时序分析程序）报告一致。网络延迟模型是基于负载而评估出来的。

7）Timing THRU Point：（TPTHRU）定义了在路径上的中间点。

INST "instace_name" TPTHRU = identifier;

NET "netname" TPTHRU = identifier ;

8)ASYNC_REG：该约束只能用于连接到寄存器和锁存器。只用于当寄存器或锁存器有异步输入的情况。

INST "instance_name" ASYNC_REG = {TRUE|FALSE};

    3、引脚和面积约束原理

1）面积约束：AREA_GROUP是设计实现约束，将设计分配到物理区域用于映射、打包、布局和布线。面积约束与设计中的逻辑块连接，约束的字符串的值表示了逻辑组块的名字。该约束将设计的逻辑块布局到指定的FPGA的面积区域中，与面积约束相关的UCF描述为：

AREA_GROUP "groupname" RANGE = range;

AREA_GROUP "groupname" COMPRESSION = percent ;

AREA_GROUP "groupname" IMPLEMENT = {FORCE|AUTO};

AREA_GROUP "groupname" GROUP = {OPEN|CLOSED};

AREA_GROUP "groupname" PLACE = {OPEN|CLOSED};

AREA_GROUP "groupname" MODE = {RECONFIG};

下面对这些约束条件进行简单的说明：

（1）RANGE：定义了对放置包含在区域组内可用的芯片逻辑资源的范围。下面给出这些定义的文字描述：

 RANGE = SLICE_X# Y# : SLICE_X# Y#

 RANGE = RAMB16_X# Y# : RAMB16_X# Y#

 RANGE = MULT18X18_X# Y# : MULT18X18_X# Y#

（2）COMPRESSION：为区域组定义了压缩因子。其范围0~100。如果没有RANGE，则只可选择0（无压缩） 1（最大压缩）。映射器从RANGE计算在AREA_GROUP内的CLB数量，并试图将其压缩到指定的百分比范 围。对于TBUF,BRAM,乘法器不能使用该约束条件。

（3）IMPLEMENT：使用FORCE和AUTO字符串选项。FORCE将迫使重新实现AREA_GROUP内的逻辑。AUTO确 定如果AREA_GROUP内的逻辑改变了，则重新实现逻辑。

（4）GROUP：控制逻辑打包（packing of logic）到物理元件（比如slice）。选择CLOSED时，不允许 AREA_GROUP组外的逻辑和AREA_GROUP内的逻辑结合；选择OPEN（默认设置）时，允许 AREA_GROUP组外的逻辑和AREA_GROUP组内的逻辑结合。

（5）PLACE：控制在RANGE内的资源分配情况。选择CLOSED时，不允许不是AREA_GROUP组内的元件放在 RANGE范围内；选择OPEN（默认设置）时，允许不是AREA_GROUP组内的元件放在RANGE范围内。

（6）MODE：用于定义可配置的区域组，比如：MODE = RECONFIG。

2）引脚约束：用来确定IO引脚的工作特性，其约束主要包括以下几个方面：

（1）位置约束：用来定义设计的I/O在器件上的位置。

NET "name" LOC = "A23" ;

（2）IO标准约束：用来定义I/O引脚的电气标准。

NET "name" IOSTANDARD = "LVTTL";

（3）IO驱动能力约束：用来定义输出引脚的驱动能力（以电流mA表示）。

INST "instance_name" DRIVE = {2|4|6|8|12|16|24};

（4）IO抖动率约束：用来定义输出引脚的抖动率。可选择的参数包括SLOW和FAST。

（5）IO延迟约束：用来定义输入路径的延迟元件。可选的参数包括NONE（关闭所有的IBUF和IFD路径延迟）、 BOTH（打开所有的IBUF和IFD路径延迟）、IBUF（设置关闭在I/O元件内的任何寄存器的延迟，同时如果输入 缓冲区驱动I/O元件外的一个寄存器的D引脚则打开元件外的寄存器延迟）、IFD（打开任何I/O元件外的寄存 器，同时如果寄存器占用了I/O元件的输入侧则关闭元件外的寄存器的延迟）（不考虑IOB=TRUE约束）。

INST "instance_name" IOBDELAY = {NONE|BOTH|IBUF|IFD};

（6）IO端接约束：是用于映射约束。可选择的参数：PULLDOWN（当I/O无驱动时，保证其为逻辑低，避免三 态）、PULLUP（当I/O无驱动时，保证其为逻辑高，避免三态）、KEEPER（包含输出引脚的值）。

NET "pad_net_name" {KEEPER|PULLUP|PULLDOWN};