FPGA實(shí)戰(zhàn)開發(fā)技巧（5）

一般來講，添加約束的原則為先附加全局約束，再補(bǔ)充局部約束，而且局部約束比較寬松。其目的是在可能的地方盡量放松約束，提高布線成功概率，減少ISE 布局布線時(shí)間。典型的全局約束包括周期約束和偏移約束。在添加全局時(shí)序約束時(shí)，需要根據(jù)時(shí)鐘頻率劃分不同的時(shí)鐘域，添加各自的周期約束；然后對(duì)輸入輸出端口信號(hào)添加偏移約束，對(duì)片內(nèi)邏輯添加附加約束。

1．周期約束

周期約束是附加在時(shí)鐘網(wǎng)路上的基本時(shí)序約束，以保證時(shí)鐘區(qū)域內(nèi)所有同步組件的時(shí)序滿足要求。在分析時(shí)序時(shí)，周期約束能自動(dòng)處理寄存器時(shí)鐘端的反相問題，如果相鄰的同步元件時(shí)鐘相位相反，則其延遲會(huì)被自動(dòng)限制為周期約束值的一半，這其實(shí)相當(dāng)于降低了時(shí)鐘周期約束的數(shù)值，所以在實(shí)際中一般不要同時(shí)使用時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿。

硬件設(shè)計(jì)電路所能工作的最高頻率取決于芯片內(nèi)部元件本身固有的建立保持時(shí)間，以及同步元件之間的邏輯和布線延遲。所以電路最高頻率由代碼和芯片兩部分共同決定，相同的程序，在速度等級(jí)高的芯片上能達(dá)到更高的最高工作頻率；同樣，在同一芯片內(nèi)，經(jīng)過速度優(yōu)化的代碼具有更高的工作頻率，在實(shí)際中往往取二者的平衡。

在添加時(shí)鐘周期之前，需要對(duì)電路的期望時(shí)鐘周期有一個(gè)合理的估計(jì)，這樣才不會(huì)附加過松或過緊的周期約束，過松的約束不能達(dá)到性能要求，過緊的約束會(huì)增加布局布線的難度，實(shí)現(xiàn)的結(jié)果也不一定理想。常用的工程策略是：附加的時(shí)鐘周期約束的時(shí)長(zhǎng)為期望值的90%，即約束的最高頻率是實(shí)際工作頻率的110% 左右。

附加時(shí)鐘周期約束的方法有兩個(gè)：一是簡(jiǎn)易方法，二是推薦方法。簡(jiǎn)易方式是直接將周期約束附加到寄存器時(shí)鐘網(wǎng)線上，其語(yǔ)法如下所示：

[ 約束信號(hào)] PERIOD = { 周期長(zhǎng)度} {HIGH | LOW} [ 脈沖持續(xù)時(shí)間];其中，[] 內(nèi)的內(nèi)容為可選項(xiàng)，{} 中的內(nèi)容為必選項(xiàng)，“|”表示選擇項(xiàng)。[ 約束信號(hào)] 可為“Net net_name”或“TIMEGRP group_name”，前者表示周期約束作用到線網(wǎng)所驅(qū)動(dòng)的同步元件上，后者表示約束到TIMEGRP所定義的信號(hào)分組上( 如觸發(fā)器、鎖存器以及RAM 等)。{ 周期長(zhǎng)度} 為要求的時(shí)鐘周期，可選用ms、s、ns以及ps 等單位，默認(rèn)值為ns，對(duì)單位不區(qū)分大小寫。{HIGH | LOW} 用于指定周期內(nèi)第一個(gè)脈沖是高電平還是低電平。[ 脈沖持續(xù)時(shí)間] 用于指定第一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間，可選用ms、s、ns 以及ps 等單位，默認(rèn)值為ns，如果缺省該項(xiàng)，則默認(rèn)為50% 的占空比。如語(yǔ)句：

Net“ clk_100MHz” period = 10ns High 5ns;

指定了信號(hào)clk_100MHz 的周期為10ns，高電平持續(xù)的時(shí)間為5ns，該約束將被添加到信號(hào)clk_100MHz所驅(qū)動(dòng)的元件上。

推薦方法常用于約束具有復(fù)雜派生關(guān)系的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，其基本語(yǔ)法為：

TIMESPEC“ TS_idenTIfier” = PERIOD“ TNM_reference” {周期長(zhǎng)度}

{HIGH | LOW} [ 脈沖持續(xù)時(shí)間];

其中，TIMESPEC 是一個(gè)基本時(shí)序相關(guān)約束，用于標(biāo)志時(shí)序規(guī)范。“TS_identifier”由關(guān)鍵字TS 和用戶定義的identifier 表示，二者共同構(gòu)成一種時(shí)序規(guī)范，稱為TS 屬性定義，可在約束文件中任意引用，大大地豐富了派生時(shí)鐘的定義。在使用時(shí)，首先要定義時(shí)鐘分組，然后再添加相應(yīng)的約束，如：

NET“ clk_50MHz” =“ syn_clk”;

TIMESPECT“ TS_syn_clk” = PERIOD“ syn_clk” 20 HIGN 10;

TIMESPEC 利用識(shí)別符定義派生時(shí)鐘的語(yǔ)法為：

TIMESPEC“ TS_identifier2” = PERIOD“ timegroup_name” “ TS_identifier1”

[* | /] 倍數(shù)因子 [+| -] phasevalue [ 單位]

其中，TS_identifier2 是要派生定義的時(shí)鐘，TS_identifier1 為已定義的時(shí)鐘，“倍數(shù)因子”用于給出二者周期的倍數(shù)關(guān)系，phasevalue 給出二者之間的相位關(guān)系。如：

定義系統(tǒng)時(shí)鐘clk_syn ：

TIMESPEC“ clk_syn” = PERIOD“ clk” 5ns;

下面給出其反相時(shí)鐘clk_syn_180 以及2 分頻時(shí)鐘clk_syn_half ：

TIMESPEC“ clk_syn_180” = PERIOD“ clk_180” clk_syn PHASE + 2.5ns;

TIMESPEC“ clk_syn_180” = PERIOD“ clk_half” clk_syn / 2;

2．偏移約束

偏移約束也是一類基本時(shí)序約束，規(guī)定了外部時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的相對(duì)時(shí)序關(guān)系，只能用于端口信號(hào)，不能應(yīng)用于內(nèi)部信號(hào)，包括OFFSET_IN_BEFORE，OFFSET_IN_AFTER，OFFSET_OUT_BEFORE，OFFSET_OUT_ AFTER 等4 類基本約束。偏移約束的基本語(yǔ)法為：

OFFSET = [IN | OUT]“ offset_time” [units] {BEFORE | AFTER}“ clk_name”

[TIMEGRP“ group_name”];

其中[IN | OUT] 說明約束的是輸入還是輸出。“offset_time”為數(shù)據(jù)和有效時(shí)鐘沿之間的時(shí)間差，{BEFORE| AFTER} 表明該時(shí)間差是在有效時(shí)鐘之前還是之后，“clk_name”為有效時(shí)鐘的名字，[TIMEGRP “group_name”] 是用戶添加的分組信號(hào)，在缺省時(shí)，默認(rèn)為時(shí)鐘clk_name 所驅(qū)動(dòng)的所有觸發(fā)器。偏移約束通知布局布線器輸入數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻，從而可準(zhǔn)確調(diào)整布局布線的過程，使約束信號(hào)建立時(shí)間滿足要求。

1)“OFFSET IN”偏移約束

“OFFSET IN ”偏移約束是輸入偏移約束，有OFFSET_IN_AFTER 和OFFSET_IN_BEFORE 兩種，前者定義了輸入數(shù)據(jù)在有效時(shí)鐘到達(dá)多長(zhǎng)時(shí)間后可以到達(dá)芯片的輸入管腳，這樣可以得到芯片內(nèi)部的延遲上限，從而對(duì)那些與輸入引腳相連的組合邏輯進(jìn)行約束；后者定義數(shù)據(jù)比相應(yīng)的有效時(shí)鐘沿提前多少時(shí)間到來，是與其相連的組合邏輯的最大延時(shí)，否則在時(shí)鐘沿到來時(shí)，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生采樣錯(cuò)誤。輸入偏移的時(shí)序關(guān)系如圖5-10所示。

圖5-10 輸入偏移的時(shí)序關(guān)系

例如：

NET“ DATA_IN” OFFSET = IN 10.0 BEFORE“ CLK_50MHz”;

表明在時(shí)鐘信號(hào)CLK_50MHz 上升沿到達(dá)前的10ns 內(nèi)，輸入信號(hào)DATA_IN 必須到達(dá)數(shù)據(jù)輸入管腳。

NET“ DATA_IN” OFFSET = IN 10.0 AFTER“ CLK_50MHz”;

表明在時(shí)鐘信號(hào)CLK_50MHz 上升沿到達(dá)后的10ns 內(nèi)，輸入信號(hào)DATA_IN 必須到達(dá)數(shù)據(jù)輸入管腳。

2)“OFFSET OUT”偏移約束

“OFFSET OUT”偏移約束是輸出偏移約束，有OFFSET_OUT_AFTER 和OFFSET_OUT_BEFORE 兩種，前者定義了輸出數(shù)據(jù)在有效時(shí)鐘沿之后多長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定下來，是芯片內(nèi)部輸出延時(shí)的上限；后者定義了在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來之前多長(zhǎng)時(shí)間必須輸出數(shù)據(jù)，是下一級(jí)邏輯建立時(shí)間的上限。輸出偏移的時(shí)序關(guān)系如圖5.3.11 所示。

圖5-11 輸出偏移的時(shí)序關(guān)系

例如：

NET“ DATA_OUT” OFFSET = OUT 10.0 BEFORE“ CLK_50MHz”;

表明在時(shí)鐘信號(hào)CLK_50MHz 上升沿到達(dá)前的10ns 內(nèi)，輸出信號(hào)DATA_OUT 信號(hào)必須離開數(shù)據(jù)輸出管腳。

NET“ DATA_OUT” OFFSET = OUT 10.0 AFTER“ CLK_50MHz”;

表明在時(shí)鐘信號(hào)CLK_50MHz 上升沿到達(dá)后的10ns 內(nèi)，輸出信號(hào)DATA_OUT 信號(hào)必須一直保持在數(shù)據(jù)輸出管腳上。

3．分組約束

分組約束可有效管理大量的觸發(fā)器、寄存器和存儲(chǔ)器單元，將其分為不同的組，每組附加各自的約束，在大型設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。

1)TNM/TNM_NET 約束

TNM/TNM_NET 約束用于選出可構(gòu)成一個(gè)分組的元件，并對(duì)其重新命名，然后整體添加約束。除了IBUFG和BUFG 外，所有的FPGA 內(nèi)部元件都可以用TNM 來命名，其語(yǔ)法規(guī)則為：

{NET|INST|PIN}“ ob_name” TNM =“ New_name”;

其中“ob_name”為NET、INST 以及PIN 的名稱，New_name 為分組的名稱。例如：

INST ff1 TNM = MY_FF1;
NIST ff2 TNM = MY_FF1;

將實(shí)例ff1 與ff2 添加到新分組MY_FF1 中。

此外，TNM 語(yǔ)法也支持通配符“？”和“*”，提高了在大規(guī)模設(shè)計(jì)中添加分組約束的效率。

當(dāng)TNM 約束附加在線網(wǎng)上時(shí)，則該路徑上所有的同步元件都會(huì)被添加到分組中，但不會(huì)穿過IBUFG 組件；

當(dāng)TNM 約束附加到宏或原語(yǔ)的管腳上，則被該引腳驅(qū)動(dòng)的所有同步元件會(huì)被添加到新分組中；當(dāng)TNM 約束附加到原語(yǔ)或宏上，則將原語(yǔ)或宏添加到新的分組中。

TNM_NET 約束專門用來完成網(wǎng)線的分組，與TNM 不同的是，TNM 可以穿越IBUFG/BUFG。因此，如果把TNM 約束添加到端口上，則只能定義該端口；而要是把TNM_NET 添加到端口上，則可穿越BUFG，受該端口驅(qū)動(dòng)的所有組件都將被添加到分組中。

2)TIMEGRP 約束

TIMEGRP 用于分組合并和拆分，將多個(gè)分組形成一個(gè)新的分組。其合并分組的語(yǔ)法為：

TIMEGRP“ New_group” =“ Old_group1” “ Old_group2” … ;
其中，New_group 為新建的分組，而Old_group1 和Old_group2 以及…為要合并的已有分組。

拆分分組的語(yǔ)法為：

TIMEGRP“ New_group” =“ Old_group1” EXCEPT“ Old_group2”;
其中Old_group2 是Old_group1 的子集，New_group 為Old_group1 中除去Old_group2 之外所有的部分。

3)TPSYNC 約束

TPSYNC 用于將那些不是管腳和同步元件的組件定義成同步元件，以便可以利用任意點(diǎn)來作為時(shí)序規(guī)范的終點(diǎn)和起點(diǎn)。其相應(yīng)的語(yǔ)法為：

{NET|INST|PIN}“ ob_name” TPSYNC=“ New_part”;

將TPSYNC 約束附加在網(wǎng)線上，則該網(wǎng)線的驅(qū)動(dòng)源為同步點(diǎn)；附加在同步元件的輸出管腳上，則同步元件中驅(qū)動(dòng)該管腳的源為同步點(diǎn)；附加在同步元件上，則輸出管腳為同步點(diǎn)；附加在同步元件的輸入管腳上，則該引腳被定義成同步點(diǎn)。

4)TPTHRU 約束

TPTHRU 用于定義一個(gè)或一組路徑上的關(guān)鍵點(diǎn)，可使用戶定義出任意期望的路徑。其相應(yīng)的語(yǔ)法為：

{NET|INST|PIN}“ ob_name” TPTHRU =“ New_name”;

例如，在圖5-12 所示場(chǎng)景中，從A1 到A2 有兩條路徑，其中邏輯1 的延遲很大，需要提取出來完成特定的約束：

圖5-12 TPTHRU約束示例場(chǎng)景

INST“ A1” TNM =“ S”;
INST“ A2” TNM =“ E”;
NET“ A1toA2_1” TPTHRU =“ M”;
TIMESPEC“ SME” = FROM“ S” THRU“ M” TO“ B” 10;

其中第三句指令利用TPTHRU 定義了中間點(diǎn)“M”，然后第4 句在此基礎(chǔ)上定義了通過M 點(diǎn)的整條路徑，從兩條平行的路徑中挑出了期望路徑。

4．局部約束

局部約束包括FROM_TO 約束、最大延時(shí)約束、最大偏移約束、虛假路徑、系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)約束、多周期路徑和多時(shí)鐘域約束等。在實(shí)際開發(fā)中，正如本章前沿所述，時(shí)序是設(shè)計(jì)出來，而不是靠約束自動(dòng)得到的，因此這里不再對(duì)局部約束作過多討論。