Vivado使用误区与进阶——XDC约束技巧之I/O篇 (下) 技巧, 接口

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作者：周丽娜（Ally Zhou ），Xilinx工具与方法学应用专家
《XDC约束技巧之时钟篇》中曾对I/O约束做过简要概括，相比较而言，XDC中的I/O约束虽然形式简单，但整体思路和约束方法却与UCF大相径庭。加之FPGA的应用特性决定了其在接口上有多种构建和实现方式，所以从UCF到XDC的转换过程中，最具挑战的可以说便是本文将要讨论的I/O约束了。
         继《XDC约束技巧之I/O篇（上）》 详细描述了如何设置Input接口约束后，我们接着来聊聊怎样设置Output接口约束，并分析UCF与XDC在接口约束上的区别。
Output 接口类型和约束
FPGA 做 Output 的接口时序同样也可以分为系统同步与源同步。在设置 XDC 约束时，总体思路与 Input 类似，只是换成要考虑下游器件的时序模型。另外，在源同步接口中，定义接口约束之前，需要用 set_generated_clock 先定义送出的随路时钟。
系统同步接口
与 Input 的系统同步接口一样，FPGA 做 Output 接口的系统同步设计，芯片间只传递数据信号，时钟信号的同步完全依靠板级设计来对齐。所以设置约束时候要考虑的仅仅是下游器件的 Tsu/Th 和数据在板级的延时。


上图是一个 SDR 上升沿采样系统同步接口的 Output 约束示例。其中，-max 后的数值是板级延时的最大值与下游器件的 Tsu 相加而得出，-min 后的数值则是板级延时的最小值减去下游器件的 Th 而来。
源同步接口
与源同步接口的 Input 约束设置类似，FPGA 做源同步接口的 Output 也有两种方法可以设置约束。
方法一我们称作 Setup/Hold Based Method，与上述系统同步接口的设置思路基本一致，仅需要了解下游器件用来锁存数据的触发器的 Tsu 与 Th 值与系统板级的延时便可以设置。方法二称作 Skew Based Method，此时需要了解 FPGA 送出的数据相对于时钟沿的关系，根据 Skew 的大小和时钟频率来计算如何设置 Output 约束。
具体约束时可以根据不同的已知条件，选用不同的约束方式。一般而言，FPGA 作为输出接口时，数据相对时钟的 Skew 关系是已知条件（或者说，把同步数据相对于时钟沿的 Skew 限定在一定范围内是设计源同步接口的目标），所以方法二更常见。
Vivado IDE 的 Language Templates 中关于源同步输出接口的 XDC 约束模板包含了以上两种方式的设置方法。
方法一 Setup/Hold Based Method
Setup/Hold Method 的计算公式如下，可以看出其跟系统同步输出接口的设置方法完全一样。如果换成 DDR 方式，则可参考上一篇 I/O 约束方法中关于 Input 源同步 DDR 接口的约束，用 两个可选项-clock_fall 与 -add_delay 来添加针对时钟下降沿的约束值。


如果板级延时的最小值（在源同步接口中，因为时钟与信号同步传递，所以板级延时常常可以视作为 0）小于接收端寄存器的 Th，这样计算出的结果就会在 -min 后出现负数值，很多时候会让人误以为设置错误。其实这里的负数并不表示负的延迟，而代表最小的延迟情况下，数据是在时钟采样沿之后才有效。同样的，-max 后的正数，表示最大的延迟情况下，数据是在时钟采样沿之前就有效了。
这便是接口约束中最容易混淆的地方，请一定牢记 set_output_delay 中 -max/-min 的定义，即时钟采样沿到达之前最大与最小的数据有效窗口。
如果我们在纸上画一下接收端的波形图，就会很容易理解：用于 setup 分析的 -max之后跟着正数，表示数据在时钟采样沿之前就到达，而用于 hold 分析的 -min 之后跟着负数，表示数据在时钟采样沿之后还保持了一段时间。只有这样才能满足接收端用于锁存接口数据的触发器的 Tsu 和 Th 要求。


方法二 Skew Based Method
为了把同步数据相对于时钟沿的 Skew 限定在一定范围内，我们可以基于 Skew 的大小来设置源同步输出接口的约束。此时可以不考虑下游采样器件的 Tsu 与 Th 值 。


我们可以通过波形图来再次验证 set_output_delay 中 -max/-min 的定义，即时钟采样沿到达之前最大与最小的数据有效窗口。


DDR 接口的约束设置
DDR 接口的约束稍许复杂，需要将上升沿和下降沿分别考虑和约束，以下以源同步接口为例，分别就 Setup/Hold Based 方法和 Skew Based 方法举例。
方法一 Setup/Hold Based Method


已知条件如下：
时钟信号 src_sync_ddr_clk 的频率： 100 MHz随路送出的时钟 src_sync_ddr_clk_out 的频率： 100 MHz数据总线： src_sync_ddr_dout[3:0]接收端的上升沿建立时间要求 ( tsu_r ) ： 0.7 ns接收端的上升沿保持时间要求 (thd_r ) ： 0.3 ns接收端的下降沿建立时间要求 (tsu_f) ： 0.6 ns接收端的下降沿保持时间要求 (thd_f ) ： 0.4 ns板级走线延时：0 ns可以这样计算输出接口约束：已知条件包含接收端上升沿和下降沿的建立与保持时间要求，所以可以分别独立计算。上升沿采样数据的 -max 是板级延时的最大值加上接收端的上升沿建立时间要求（tsu_r），对应的-min 就应该是板级延时的最小值减去接收端的上升沿保持时间要求（thd_r）；下降沿采样数据的 -max 是板级延时的最大值加上接收端的下降沿建立时间要求（tsu_f），对应的-min 就应该是板级延时的最小值减去接收端的下降沿保持时间要求（thd_f）。所以最终写入 XDC 的 Output 约束应该如下所示：


方法二 Skew Based Method


已知条件如下：
时钟信号 src_sync_ddr_clk 的频率： 100 MHz随路送出的时钟 src_sync_ddr_clk_out 的频率： 100 MHz数据总线： src_sync_ddr_dout[3:0]上升沿之前的数据 skew ( bre_skew ) ： 0.4 ns上升沿之后的数据 skew ( are_skew ) ： 0.6 ns下降沿之前的数据 skew ( bfe_skew ) ： 0.7 ns下降沿之后的数据 skew ( afe_skew ) ： 0.2 ns可以这样计算输出接口约束：时钟的周期是 10ns，因为是 DDR 方式，所以数据实际的采样周期是时钟周期的一半；上升沿采样的数据的 -max 应该是采样周期减去这个数据的发送沿（下降沿）之后的数据 skew 即 afe_skew，而对应的-min 就应该是上升沿之前的数据 skew值bre_skew ；同理，下降沿采样数据的 -max 应该是采样周期减去这个数据的发送沿（上升沿）之后的数据 skew 值 are_skew，而对应的-min 就应该是下降沿之前的数据 skew 值 bfe_skew 。
所以最终写入 XDC 的 Output 约束应该如下所示：


对以上两种方法稍作总结，就会发现在设置 DDR 源同步输出接口时，送出的数据是中心对齐的情况下，用 Setup/Hold Based 方法来写约束比较容易，而如果是边沿对齐的情况，则推荐使用 Skew Based 方法来写约束。
在 Vivado 中设置接口约束
FPGA 的接口约束种类多变，远非一篇短文可以完全覆盖。在具体设计中，建议用户参照 Vivado IDE 的 Language Templates 。其中关于接口约束的例子有很多，而且也是按照本文所述的各种分类方法分别列出。
具体使用时，可以在列表中找到对应的接口类型，按照模板所示调整成自己设计中的数据，然后可以方便地计算出实际的约束值，并应用到FPGA 工程中去。


自 2014.1 版开始，Vivado 还提供一个 Constraints Wizard 可供用户使用。只需打开综合后的设计，然后启动 Wizard，工具便可以根据读到的网表和设计中已有的 XDC 时序约束（也可以任何约束都不加而开始用 Wizard）一步步指引用户如何添加 Timing 约束，包括时钟、I/O 以及时序例外约束等等。
Constraints Wizard 的调出方法和界面如下图所示。


UCF 与 XDC 的区别
《XDC 约束技巧》开篇描述 XDC 基础语法时候曾经提到过设置接口约束时 UCF 与XDC 的区别，简单来讲，UCF 是原生的 FPGA 约束，所以分析问题的视角是 FPGA 本身，而 XDC 则是从系统设计的全局角度来分析和设置接口约束。
以最基础的 SDR 系统同步接口来举例。输入侧的设置，UCF 用的是 OFFSET = IN，而 XDC 则是 set_input_delay 。


输出侧的设置，UCF 用的是 OFFSET =OUT，而 XDC 则是 set_output_delay 。


如果需要从旧设计的 UCF 约束转到 XDC 约束，可以参考上述例子。以一个采样周期来看，UCF 中与 XDC 中设置的接口约束值加起来正好等于一个周期的值。
小结
这一系列《XDC 约束技巧》的文章至此暂时告一段落。其实读懂这几篇涵盖了时钟、CDC 以及接口约束的短文，基本上已经足够应对绝大多数的 FPGA 设计约束问题。当然在这么短的篇幅内，很多问题都无法更加深入地展开，所以也提醒读者，需要关注文中推荐的各类 Xilinx 官方文档，以及 Vivado 本身自带的帮助功能与模板。
希望各位能从本文中吸取经验，少走弯路，尽快地成为 Vivado 和 XDC 的资深用户，也希望本文能真正为您的设计添砖加瓦，达到事半功倍的效果。
附件大小Vivado使用误区与进阶——XDC约束技巧之I/O篇 (下).pdf1.25 MB