01

Output 接口類型和約束

FPGA 做 Output 的接口時(shí)序同樣也可以分為系統(tǒng)同步與源同步。在設(shè) 置 XDC 約束時(shí)，總體思路與 Input 類似，只是換成要考慮下游器件的時(shí)序 模型。另外，在源同步接口中，定義接口約束之前，需要用 create_generated_clock 先定義送出的隨路時(shí)鐘。

系統(tǒng)同步接口

與 Input 的系統(tǒng)同步接口一樣，F(xiàn)PGA 做 Output 接口的系統(tǒng)同步設(shè) 計(jì)，芯片間只傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的同步完全依靠板級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)齊。所以設(shè)置約束時(shí)候要考慮的僅僅是下游器件的 Tsu/Th 和數(shù)據(jù)在板級(jí)的延 時(shí)。

上圖是一個(gè) SDR 上升沿采樣系統(tǒng)同步接口的 Output 約束示例。其 中，-max 后的數(shù)值是板級(jí)延時(shí)的最大值與下游器件的 Tsu 相加而得出， -min 后的數(shù)值則是板級(jí)延時(shí)的最小值減去下游器件的 Th 而來(lái)。

源同步接口

與源同步接口的 Input 約束設(shè)置類似，F(xiàn)PGA 做源同步接口的 Output 也有兩種方法可以設(shè)置約束。

方法一我們稱作 Setup/Hold Based Method，與上述系統(tǒng)同步接口的設(shè)置思路基本一致，僅需要了解下游 器件用來(lái)鎖存數(shù)據(jù)的觸發(fā)器的 Tsu 與 Th 值與系統(tǒng)板級(jí)的延時(shí)便可以設(shè)置。

方法二稱作 Skew Based Method， 此時(shí)需要了解 FPGA 送出的數(shù)據(jù)相對(duì)于時(shí)鐘沿的關(guān)系，根據(jù) Skew 的大小和時(shí)鐘頻率來(lái)計(jì)算如何設(shè)置 Output 約束。具體約束時(shí)可以根據(jù)不同的已知條件，選用不同的約束方式。一般而言，F(xiàn)PGA 作為輸出接口時(shí)，數(shù)據(jù)相 對(duì)時(shí)鐘的 Skew 關(guān)系是已知條件（或者說(shuō)，把同步數(shù)據(jù)相對(duì)于時(shí)鐘沿的 Skew 限定在一定范圍內(nèi)是設(shè)計(jì)源同步 接口的目標(biāo)），所以方法二更常見。

Vivado® IDE 的 Language Templates 中關(guān)于源同步輸出接口的 XDC 約束模板包含了以上兩種方式的設(shè) 置方法。

方法一 Setup/Hold Based Method

Setup/Hold Based Method 的計(jì)算公式如下，可以看出其跟系統(tǒng)同步輸出接口的設(shè)置方法完全一樣。如果 換成 DDR 方式，則可參考上一篇 I/O 約束方法中關(guān)于 Input 源同步 DDR 接口的約束，用 兩個(gè)可選項(xiàng) -clock_fall 與 -add_delay 來(lái)添加針對(duì)時(shí)鐘下降沿的約束值。

如果板級(jí)延時(shí)的最小值（在源同步接口中，因?yàn)闀r(shí)鐘與信號(hào)同步傳遞，所以板級(jí)延時(shí)常?？梢砸曌鳛?0） 小于接收端寄存器的 Th，這樣計(jì)算出的結(jié)果就會(huì)在 -min 后出現(xiàn)負(fù)數(shù)值，很多時(shí)候會(huì)讓人誤以為設(shè)置錯(cuò)誤。其 實(shí)這里的負(fù)數(shù)并不表示負(fù)的延遲，而代表最小的延遲情況下，數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘采樣沿之后才有效。同樣的，-max 后的正數(shù)，表示最大的延遲情況下，數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘采樣沿之前就有效了。

這便是接口約束中最容易混淆的地方，請(qǐng)一定牢記 set_output_delay 中 -max/-min 的定義，即時(shí)鐘采樣沿 到達(dá)之前最大與最小的數(shù)據(jù)有效窗口。

如果我們?cè)诩埳袭嬕幌陆邮斩说牟ㄐ螆D，就會(huì)很容易理解：用于 setup 分析的 -max 之后跟著正數(shù)，表示 數(shù)據(jù)在時(shí)鐘采樣沿之前就到達(dá)，而用于 hold 分析的 -min 之后跟著負(fù)數(shù)，表示數(shù)據(jù)在時(shí)鐘采樣沿之后還保持了 一段時(shí)間。只有這樣才能滿足接收端用于鎖存接口數(shù)據(jù)的觸發(fā)器的 Tsu 和 Th 要求。

方法二 Skew Based Method

為了把同步數(shù)據(jù)相對(duì)于時(shí)鐘沿的 Skew 限定在一定范圍內(nèi)，我們可以基于 Skew 的大小來(lái)設(shè)置源同步輸出 接口的約束。此時(shí)可以不考慮下游采樣器件的 Tsu 與 Th 值 。

02

DDR 接口的約束設(shè)置

DDR 接口的約束稍許復(fù)雜，需要將上升沿和下降沿分別考慮和約束，以下以源同步接口為例，分別就 Setup/Hold Based 方法和 Skew Based 方法舉例。

方法一 Setup/Hold Based Method

對(duì)于單根跨時(shí)鐘域路徑，一般采用簡(jiǎn)單同步器（Simple Synchronizer），就是由至少兩級(jí)CE端和Reset/Clear端接死的寄存器序列來(lái)處理。

已知條件如下：

時(shí)鐘信號(hào) src_sync_ddr_clk 的頻率：100 MHz

隨路送出的時(shí)鐘 src_sync_ddr_clk_out 的頻率：100 MHz

數(shù)據(jù)總線：src_sync_ddr_dout[3:0] ；

接收端的上升沿建立時(shí)間要求 ( tsu_r )         ：0.7 ns；

接收端的上升沿保持時(shí)間要求 (thd_r )         ：0.3 ns；

接收端的下降沿建立時(shí)間要求 (tsu_f)         ：0.6 ns；

接收端的下降沿保持時(shí)間要求 (thd_f )         ：0.4 ns；

板級(jí)走線延時(shí)：0 ns。

可以這樣計(jì)算輸出接口約束：已知條件包含接收端上升沿和下降沿的建立與保持時(shí)間要求，所以可以分別 獨(dú)立計(jì)算。上升沿采樣數(shù)據(jù)的 -max 是板級(jí)延時(shí)的最大值加上接收端的上升沿建立時(shí)間要求（tsu_r），對(duì)應(yīng)的 -min 就應(yīng)該是板級(jí)延時(shí)的最小值減去接收端的上升沿保持時(shí)間要求（thd_r）；下降沿采樣數(shù)據(jù)的 -max 是板級(jí) 延時(shí)的最大值加上接收端的下降沿建立時(shí)間要求（tsu_f），對(duì)應(yīng)的-min 就應(yīng)該是板級(jí)延時(shí)的最小值減去接收端 的下降沿保持時(shí)間要求（thd_f）。所以最終寫入 XDC 的 Output 約束應(yīng)該如下所示：

方法二 Skew Based Method

已知條件如下：

時(shí)鐘信號(hào) src_sync_ddr_clk 的頻率：100 MHz

隨路送出的時(shí)鐘 src_sync_ddr_clk_out 的頻率：100 MHz

數(shù)據(jù)總線：src_sync_ddr_dout[3:0] ；

上升沿之前的數(shù)據(jù) skew ( bre_skew ) ：0.4 ns；

上升沿之后的數(shù)據(jù) skew ( are_skew ) ：0.6 ns；

下降沿之前的數(shù)據(jù) skew ( bfe_skew ) ：0.7 ns；

下降沿之后的數(shù)據(jù) skew ( afe_skew ) ：0.2 ns。

可以這樣計(jì)算輸出接口約束：時(shí)鐘的周期是 10ns，因?yàn)槭?DDR 方式，所以數(shù)據(jù)實(shí)際的采樣周期是時(shí)鐘周 期的一半；上升沿采樣的數(shù)據(jù)的 -max 應(yīng)該是采樣周期減去這個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送沿（下降沿）之后的數(shù)據(jù) skew 即 afe_skew，而對(duì)應(yīng)的-min 就應(yīng)該是上升沿之前的數(shù)據(jù) skew 值 bre_skew ；同理，下降沿采樣數(shù)據(jù)的 -max  應(yīng)該是采樣周期減去這個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送沿（上升沿）之后的數(shù)據(jù) skew 值 are_skew，而對(duì)應(yīng)的-min 就應(yīng)該是下 降沿之前的數(shù)據(jù) skew 值 bfe_skew 。

所以最終寫入 XDC 的 Output 約束應(yīng)該如下所示：

所以建議的做法是不設(shè) set_clock_groups約束，轉(zhuǎn)而采用 set_max_delay來(lái)約束這些跨時(shí)鐘域 路徑。以寫入側(cè)舉例，一個(gè)基本的原則就是約束從cell1到cell2的路徑之間的延時(shí)等于或略小于cell2 的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘一個(gè)周期的值。讀出側(cè)的約束同理。

對(duì)以上兩種方法稍作總結(jié)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在設(shè)置 DDR 源同步輸出接口時(shí)，送出的數(shù)據(jù)是中心對(duì)齊的情況下， 用 Setup/Hold Based 方法來(lái)寫約束比較容易，而如果是邊沿對(duì)齊的情況，則推薦使用 Skew Based 方法來(lái)寫 約束。

02

在 Vivado 中設(shè)置接口約束

FPGA 的接口約束種類多變，遠(yuǎn)非一篇短文可以完全覆蓋。在具體設(shè)計(jì)中，建議用戶參照 Vivado IDE 的 Language Templates 。其中關(guān)于接口約束的例子有很多，而且也是按照本文所述的各種分類方法分別列出。

具體使用時(shí)，可以在列表中找到對(duì)應(yīng)的接口類型，按照模板所示調(diào)整成自己設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)，然后可以方便 地計(jì)算出實(shí)際的約束值，并應(yīng)用到 FPGA 工程中去。

自 2014.1 版開始，Vivado 還提供一個(gè) Constraints Wizard 可供用戶使用。只需打開綜合后的設(shè)計(jì)，然后 啟動(dòng) Wizard，工具便可以根據(jù)讀到的網(wǎng)表和設(shè)計(jì)中已有的 XDC 時(shí)序約束（也可以任何約束都不加而開始用 Wizard）一步步指引用戶如何添加 Timing 約束，包括時(shí)鐘、I/O 以及時(shí)序例外約束等等。

Constraints Wizard 的調(diào)出方法和界面如下圖所示。

02

UCF 與 XDC 的區(qū)別

《XDC 約束技巧》開篇描述 XDC 基礎(chǔ)語(yǔ)法時(shí)候曾經(jīng)提到過(guò)設(shè)置接口約束時(shí) UCF 與 XDC 的區(qū)別，簡(jiǎn)單來(lái) 講，UCF 是原生的 FPGA 約束，所以分析問題的視角是 FPGA 本身，而 XDC 則是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全局角度來(lái)分 析和設(shè)置接口約束。

以最基礎(chǔ)的 SDR 系統(tǒng)同步接口來(lái)舉例。輸入側(cè)的設(shè)置，UCF 用的是 OFFSET = IN，而 XDC 則是 set_input_delay 。

如果需要從舊設(shè)計(jì)的 UCF 約束轉(zhuǎn)到 XDC 約束，可以參考上述例子。以一個(gè)采樣周期來(lái)看，UCF 中與 XDC 中設(shè)置的接口約束值加起來(lái)正好等于一個(gè)周期的值。

小結(jié)

這一系列《XDC 約束技巧》的文章至此暫時(shí)告一段落。其實(shí)讀懂了這幾篇涵蓋了時(shí)鐘、CDC 以及接口約 束的短文，基本上已經(jīng)足夠應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)的 FPGA 設(shè)計(jì)約束問題。當(dāng)然在這么短小的篇幅內(nèi)，很多問題都無(wú)法 更加深入地展開，所以也提醒讀者，需要關(guān)注文中推薦的各類 Xilinx 官方文檔，以及 Vivado 本身自帶的幫助 功能與模板。

希望各位能從本文中吸取經(jīng)驗(yàn)，少走彎路，盡快地成為 Vivado 和 XDC 的資深用戶，也希望本文能真正為 您的設(shè)計(jì)添磚加瓦，達(dá)到事半功倍的效果。