A 時序約束的概念和基本策略

時序約束主要包括周期約束（FFS到FFS，即觸發(fā)器到觸發(fā)器）和偏移約束（IPAD到FFS、FFS到OPAD）以及靜態(tài)路徑約束（IPAD到 OPAD）等3種。通過附加約束條件可以使綜合布線工具調(diào)整映射和布局布線過程，使設(shè)計達(dá)到時序要求。例如用OFFSET_IN_BEFORE約束可以告 訴綜合布線工具輸入信號在時鐘之前什么時候準(zhǔn)備好，綜合布線工具就可以根據(jù)這個約束調(diào)整與IPAD相連的Logic Circuitry的綜合實現(xiàn)過程，使結(jié)果滿足FFS的建立時間要求。

附加時序約束的一般策略是先附加全局約束，然后對快速和慢速例外路徑附加專門約束。附加全局約束時，首先定義設(shè)計的所有時鐘，對各時鐘域內(nèi)的同步元 件進(jìn)行分組，對分組附加周期約束，然后對FPGA/CPLD輸入輸出PAD附加偏移約束、對全組合邏輯的PAD TO PAD路徑附加約束。附加專門約束時，首先約束分組之間的路徑，然后約束快、慢速例外路徑和多周期路徑，以及其他特殊路徑。

B 附加約束的基本作用

1、提高設(shè)計的工作頻率

對很多數(shù)字電路設(shè)計來說，提高工作頻率非常重要，因為高工作頻率意味著高處理能力。通過附加約束可以控制邏輯的綜合、映射、布局和布線，以減小邏輯和布線延時，從而提高工作頻率。

2、獲得正確的時序分析報告

幾乎所有的FPGA設(shè)計平臺都包含靜態(tài)時序分析工具，利用這類工具可以獲得映射或布局布線后的時序分析報告，從而對設(shè)計的性能做出評估。靜態(tài)時序分 析工具以約束作為判斷時序是否滿足設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此要求設(shè)計者正確輸入約束，以便靜態(tài)時序分析工具輸出正確的時序分析報告。

3、指定FPGA/CPLD引腳位置與電氣標(biāo)準(zhǔn)

FPGA/CPLD的可編程特性使電路板設(shè)計加工和FPGA/CPLD設(shè)計可以同時進(jìn)行，而不必等FPGA/CPLD引腳位置完全確定，從而節(jié)省了 系統(tǒng)開發(fā)時間。這樣，電路板加工完成后，設(shè)計者要根據(jù)電路板的走線對FPGA/CPLD加上引腳位置約束，使FPGA/CPLD與電路板正確連接。另外通 過約束還可以指定IO引腳所支持的接口標(biāo)準(zhǔn)和其他電氣特性。為了滿足日新月異的通信發(fā)展，Xilinx新型FPGA/CPLD可以通過IO引腳約束設(shè)置支 持諸如AGP、BLVDS、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LDT、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVDSEXT、 LVTTL、PCI、PCIX、SSTL、ULVDS等豐富的IO接口標(biāo)準(zhǔn)。另外通過區(qū)域約束還能在FPGA上規(guī)劃各個模塊的實現(xiàn)區(qū)域，通過物理布局布線 約束，完成模塊化設(shè)計等。

C 周期（PERIOD）的含義

周期的含義是時序中最簡單也是最重要的含義，其它很多時序概念會因為軟件商不同略有差異，而周期的概念確是最通用的，周期的概念是 FPGA/ASIC時序定義的基礎(chǔ)概念。后面要講到的其它時序約束都是建立在周期約束的基礎(chǔ)上的，很多其它時序公式，可以用周期公式推導(dǎo)。周期約束是一個 基本時序和綜合約束，它附加在時鐘網(wǎng)線上，時序分析工具根據(jù)PERIOD約束檢查時鐘域內(nèi)所有同步元件的時序是否滿足要求。PERIOD約束會自動處理寄 存器時鐘端的反相問題，如果相鄰?fù)皆r鐘相位相反，那么它們之間的延遲將被默認(rèn)限制為PERIOD約束值的一半。如下圖所示，

時鐘的最小周期為：

TCLK = TCKO +TLOGIC +TNET +TSETUP －TCLK_SKEW
TCLK_SKEW =TCD2 －TCD1

其中TCKO為時鐘輸出時間，TLOGIC為同步元件之間的組合邏輯延遲，TNET為網(wǎng)線延遲，TSETUP為同步元件的建立時間，TCLK_SKEW為時鐘信號TCD2和TCD1延遲的差別。

D 數(shù)據(jù)和時鐘之間的約束

為了確保芯片數(shù)據(jù)采樣可靠和下級芯片之間正確地交換數(shù)據(jù)，需要約束外部時鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的時序關(guān)系（或者內(nèi)部時鐘和外部輸入/輸出數(shù)據(jù)之 間的關(guān)系，這僅僅是從采用了不同的參照系罷了）。約束的內(nèi)容為告訴綜合器、布線器輸入數(shù)據(jù)到達(dá)的時刻，或者輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時刻，從而保證與下一級電路的時 序關(guān)系。

這種時序約束在Xilinx中用Setup to Clock（edge），Clock（edge） to hold等表示。在Altera里常用tsu (Input Setup Times)、th (Input Hold Times)、tco (Clock to Out Delays)來表示。很多其它時序工具直接用setup和hold表示。其實他們所要描述的是同一個問題，僅僅是時間節(jié)點的定義上略有不同。下面依次介 紹。

E 關(guān)于輸入到達(dá)時間

Xilinx的"輸入到達(dá)時間的計算"時序描述如下圖所示：

定義的含義是輸入數(shù)據(jù)在有效時鐘沿之后的TARRIVAL時刻到達(dá)。則，

TARRIVAL=TCKO+TOUTPUT+TLOGIC 公式1

根據(jù)上面介紹的周期（Period）公式，我們可以得到：

Tcko+Toutput+Tlogic+Tinput+Tsetup-Tclk_skew=Tclk; 公式2

將公式1代入公式2： Tarrival+Tinput+Tsetup-Tclk_skew=Tclk, 而Tclk_skew滿足時序關(guān)系后為負(fù)，所以
TARRIVAL +TINPUT+TSETUP

這就是Tarrival應(yīng)該滿足的時序關(guān)系。其中TINPUT為輸入端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，TSETUP為輸入同步元件的建立時間。

F 數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)到達(dá)時間的關(guān)系

TDELAY為要求的芯片內(nèi)部輸入延遲，其最大值TDELAY_MAX與輸入數(shù)據(jù)到達(dá)時間TARRIVAL的關(guān)系如上圖所示。也就是說： TDELAY_MAX+TARRIVAL=TPERIOD 公式4

所以：

TDELAY

G 要求輸出的穩(wěn)定時間

從下一級輸入端的延遲可以計算出當(dāng)前設(shè)計輸出的數(shù)據(jù)必須在何時穩(wěn)定下來，根據(jù)這個數(shù)據(jù)對設(shè)計輸出端的邏輯布線進(jìn)行約束，以滿足下一級的建立時間要求，保證下一級采樣的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。計算要求的輸出穩(wěn)定時間如下圖所示：

公式的推導(dǎo)如下：

定義：TSTABLE = TLOGIC +TINPUT +TSETUP
從前面帖子介紹的周期（Period）公式，可以得到(其中TCLK_SKEW＝TCLK1－TCLK2)：
TCLK＝TCKO＋TOUTPUT+TLOGIC+TINPUT+TSETUP+TCLK_SKEW

將TSTABLE的定義代入到周期公式，可以得到：

TCLK=TCKO+TOUTPUT+TSTABLE+TCLK_SKEW
所以：TCKO +TOUTPUT+TSTABLE

這個公式就是TSTABLE必須要滿足的基本時序關(guān)系，即本級的輸出應(yīng)該保持怎么樣的穩(wěn)定狀態(tài)，才能保證下級芯片的采樣穩(wěn)定。有時我們也稱這個約束 關(guān)系是輸出數(shù)據(jù)的保持時間的時序約束關(guān)系。只要滿足上述關(guān)系，當(dāng)前芯片輸出端的數(shù)據(jù)比時鐘上升沿提早TSTABLE 時間穩(wěn)定下來，下一級就可以正確地采樣數(shù)據(jù)。其中TOUTPUT為設(shè)計中連接同步元件輸出端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，TCKO為同步元件時鐘 輸出時間。

H 實施時序約束的方法和命令

實施上述約束的基本方法是，根據(jù)已知時序信息，推算需要約束的時間值，實施約束。具體地說是這樣的，首先對于一般設(shè)計，首先掌握的是TCLK,這個 對于設(shè)計者來說是個已知量。前面介紹公式和圖中的TCKO和TSETUP（注：有的工具軟件對TCKO和TSETUP的定義與前面圖形不同，還包含了到達(dá) 同步器件的一段logic的時延）是器件內(nèi)部固有的一個時間量，一般我們選取典型值，對于FPGA，這個量值比較小，一般不大于1~2ns。比較難以確定 的是TINPUT和TOUTPUT兩個時間量。

約束輸入時間偏移，需要知道TINPUT，TINPUT為輸入端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，PAD的延時也根據(jù)器件型號也有典型值可選， 但是到達(dá)輸入端的組合邏輯電路和網(wǎng)線的延時就比較難以確定了，只能通過靜態(tài)時序分析工具分析，或者通過底層布局布線工具量取，有很大的經(jīng)驗和試探的成分在 里面。

約束輸出時間偏移，需要知道TOUTPUT，TOUTPUT為設(shè)計中連接同步元件輸出端的組合邏輯、網(wǎng)線和PAD的延遲之和，仍然是到達(dá)輸出端的組 合邏輯電路和網(wǎng)線的延時就比較難以確定，需要通過靜態(tài)時序分析工具分析，或者通過底層布局布線工具量取，有很大的經(jīng)驗和試探的成分在里面。

約束的具體命令根據(jù)約束工具不同而異，首先說使用Xilinx器件的情況下，實施上述約束的命令和方法。Xilinx把上述約束統(tǒng)稱 為：OFFSET約束（偏移約束），一共有4個相關(guān)約束屬性：OFFSET_IN_BEFORE、OFFSET_IN_AFTER、 OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER。其中前兩個屬性叫做輸入偏移（OFFSET_IN）約束，基本功能相似，僅僅是 約束取的參考對象不同而已。后兩個屬性叫做輸出偏移（OFFSET_OUT）約束，基本功能相似，也是約束取的參考對象不同而已。為了便于理解，舉例說 明。

輸入偏移約束：時鐘周期為20ns，前級寄存器的TCKO選擇1ns，前級輸出邏輯延時TOUTPUT為3ns，中間邏輯TLOGIC的延時為 10ns，那么TARRIVAL=14ns，于是可以在數(shù)據(jù)輸入引腳附加NET DATA_IN OFFET=IN 14ns AFTER CLK約束，也可以使用OFFSET_IN_BEFORE對芯片內(nèi)部的輸入邏輯進(jìn)行約束，其語法如下：

NET DATA_IN OFFET=IN TDELAY BEFORE CLK

其中TDELAY為要求的芯片內(nèi)部輸入延遲，其最大值與輸入數(shù)據(jù)到達(dá)時間TARRIVAL的關(guān)系:TDELAY_MAX + TARRIVAL = TPERIOD,所以TDELAY < TPERIOD - TARRIVAL = 20 - 14 =6 ns。

輸出偏移約束：設(shè)時鐘周期為20ns，后級輸入邏輯延時TINPUT為4ns、建立時間TSETUP為1ns，中間邏輯TLOGIC的延時為 10ns，那么TSTABLE=15ns，于是可以在數(shù)據(jù)輸入引腳附加NET DATA_OUT OFFET=OUT 15ns BEFORE CLK約束，也可以直接對芯片內(nèi)部的輸出邏輯直接進(jìn)行約束，NET DATA_OUT OFFET=OUT TOUTPUT_DELAY AFTER CLK，其中TOUTPUT_DELAY為要求的芯片內(nèi)部輸出延遲，其最大值與要求的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間TSTABLE的關(guān)系為：

TOUTPUT_DELAY_MAX+TSTABLE= TPERIOD。 TOUT_DELAY< TPERIOD - TSTABLE = 20 - 15 = 5ns