【Vivado使用误区与进阶】XDC约束技巧—— I/O篇（下）

作者：Ally Zhou，Xilinx上海Office

《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。

Input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create_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 ) ：7 ns
    接收端的上升沿保持时间要求 (thd_r ) ：3 ns
    接收端的下降沿建立时间要求 (tsu_f) ：6 ns
    接收端的下降沿保持时间要求 (thd_f ) ：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 ) ：4 ns
    上升沿之后的数据skew ( are_skew ) ：6 ns
    下降沿之前的数据skew ( bfe_skew ) ：7 ns
    下降沿之后的数据skew ( afe_skew ) ：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。