Timing Constraints in Vivado -- 5. Constraining Input Delay

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pengpengpang发表于 2014-1-17 19:11 | 只看该作者

Timing Constraints in Vivado -- 5. Constraining Input Delay

Timing Constraints in Vivado系列博文已有了一定的进展，经过上两节的介绍，约束设计中的时钟后，Vivado已能完成基本的时序分析。
在第二节“Timing Basics”中提到时序路径分为以下四种：
1) FPGA内部时序单元间的路径

2) 输入端口到FPGA内部时序单元的路径

3) FPGA内部时序单元到输出端口的路径

4) 输入端口到输出端口的路径

   其中1. FPGA内部时序单元间的路径中，时序分析所需要的时间参数：Tclk-D1, Tclk-Q, Tdata_path_delay, Tclk_D2, Tsetup, Thold已能确定，只要属于FPGA内部的时间参数，Vivado则会根据相应设计计算得到，因此4. 输入端口到输出端口的路径的时间参数也能确定。
   其它两条路径都相应缺少FPGA外部的几个时间参数，这些参数都需要通过时序约束告知Vivado，然后Vivado才能精确地进行这些路径的时序分析。这一节先介绍2. 输入端口到FPGA内部时序单元的路径这条路径的约束。
   在输入端口到FPGA内部时序单元的路径中，Input Delay这段路径是在FPGA外部，因此需要约束设置其时间参数，通过set_input_delay约束命令约束，具体如下：
set_input_delay –clock{clk} –max/-min input_delay_value [get_ports {DIN}]
   另外根据source clock和destination clock，输入接口可分为以下两种情况：
1.    System Synchronous Input
   分析输入端口到FPGA内部时序单元的路径时，当source clock和destination clock来自同一个系统时钟时，称为系统同步输入(system synchronous input)。
   如图1所示为系统同步输入，source clock是CLKA，destination clock是CLKB，其中CLKB通过输入端口引入FPGA内部(约束成主时钟)，而CLKA引到了FPGA外部的板上芯片，并没有引入到FPGA内部，CLKB是采集输入端口的时钟，因此首先约束CLKB为主时钟，约束如下：
   create_clock -name CLKB -period 10 -waveform {0 5} [get_ports {CLKB}]

图1
   其中Tclkd_ext表示外部时钟源到外部芯片的延时；Tclkd_int表示外部时钟源到FPGA输入端口的延时；Tco表示外部芯片tCO时间；Tbd表示外部芯片输出端口到FPGA芯片的板上延时。
   对应max_input_delay和min_input_delay，以上几个时间参数都有max和min值，约束如下：
set_input_delay -clockCLKB-max [Tclkd_ext_max + Tco_max + Tbd_max – Tclkd_int_min] [get_ports DIN]
set_input_delay -clockCLKB-min [Tclkd_ext_min + Tco_min + Tbd_min – Tclkd_int_max] [get_portsDIN]
2.    Source Synchronous Input
   分析输入端口到FPGA内部时序单元的路径时，当destination clock来自外部芯片，即与数据输入同源，称为源同步输入(source synchronous input)。
   结构如图2所示，从板上芯片输入到FPGA除了有数据，还有一个随路时钟，是由板上芯片产生的。

图2
2.1 Input Delay Value：
   约束Input Delay分max值和min值，参考图2中时间参数，其中Tcd表示外部芯片时钟输出到FPGA输入端口的延时；Tco表示外部芯片tCO时间；Tbd表示外部芯片输出端口到FPGA芯片的板上延时。Input delay的计算式如下：
   max_input_delay = Tbd_max + Tco_max - Tcd_min
   min_input_delay = Tbd_min + Tco_min - Tcd_max
2.2 Clock & Data：
   源同步输入的约束相比于系统同步输入的复杂些，其根据时钟与数据的关系，可分为边缘对齐(Edge Aligned Clock&Data)和中心对齐(Center Aligned Clock&Data)两种：
1)    Center Aligned
   中心对齐是指时钟和数据到达后级时序单元时，时钟沿在数据中心，如图3所示。
   在这种情况下可以直接使用时钟采集数据。

图3
约束如下：
create_clock -name CLKB -period clk_period [get_ports {CLKB}]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -max max_input_delay [get_ports indata]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -min min_input_delay [get_ports indata] -add_delay

2) Edge Aligned
边缘对齐是指时钟和数据到达后级时序单元时，时钟沿与数据变化沿重合，如图4所示。

图4
这种情况下显然不满足后级时序单元的Setup要求，因此时钟需要经过一定的移相才能去采集数据，通常采用MMCM模块实现移相，如图5所示。

图5
时钟约束如下：
create_clock -name CLKB -period clk_period [get_ports {CLKB}]
create_generated_clock -name CLKB_90 -source [get_clocks CLKB] –phase 90 [get_pins{MMCM|co[0]}]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB_90] -max max_input_delay [get_ports indata]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB_90] -min min_input_delay [get_ports indata] -add_delay

2.3 SDR & DDR：
   源同步接口常用于高速数据传输，如DDR存储器、HyperTransport总线和SPI-4.2标准接口等。其中DDR指双倍速率数据采集(Double Data Rate)，在时钟的上升沿和下降沿都传输数据实现双倍速率。
1)    SDR(Single Data Rate)
   单倍速率数据采集只在时钟的上升沿或者下降沿采集数据，如图6所示。

图6
Input约束只需针对时钟的上升沿或者下降沿进行，如：

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -max max_input_delay [get_ports indata]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -min min_input_delay [get_ports indata] -add_delay

2) DDR(Double Data Rate)
双倍速率数据采集在时钟的上升沿和下降沿都采集数据，如图7所示。

图7
针对时钟的上升沿和下降沿都需要进行Input约束，如：

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -max max_input_delay [get_ports indata]

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -min min_input_delay [get_ports indata] -add_delay

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -max max_input_delay [get_ports indata] -clock_fall -add_delay

set_input_delay -clock[get_clocks CLKB] -min min_input_delay [get_ports indata] -clock_fall -add_delay

3. Timing Check in Vivado
以上讲解了如何进行Input delay的约束，可能大家还不明白为什么需要约束input delay?那下面就讲解一下input delay 在时序分析中的作用：
在Vivado中时序分析分为setup check和hold check，其中引入了setup slack和hold slack来界定时序是否收敛。在《2. Timing Basics》中介绍过FPGA内部register_to_register路径setup slack和hold slack的计算方法，本文则介绍一下输入端口到FPGA内部时序单元的路径slack的计算方法，公式如下：
Setup check:
setup slack = data required time – data arrival time
   其中:
data required time = destination clock edge time + destination clock path delay
- clock uncertainty
- setup time
data arrival time  = source clock edge time + source clock path delay
                              + max input delay
+ pin to register delay
   为了确认公式的正确性，打开Vivado软件，新建了一个约束了input delay的工程，如下几图所示为中其中一条路径的setup check报告。

约束的时钟周期为40ns，max input delay为15ns

data arrival time= 15.322ns

data required time = 40.199ns
时序报告中slack计算方式与公式完全一致，因此可以得到setup slack = data required time – data arrival time= 40.199ns – 15.322ns = 24.846ns。
Hold check:
hold slack = data arrival time – data required time
   其中
data required time = destination clock edge time + destination clock path delay
+ clock uncertainty
+ hold time
   data arrival time  = source edge time + source clock path delay
                                       + pin to register delay
                                 + min input delay
   如下几图为Vivado软件分析得到的hold check时序报告：