Xilinx 的新一代設(shè)計(jì)套件Vivado中引入了全新的約束文件XDC，在很多規(guī)則和技巧上都跟上一代產(chǎn)品ISE中支持的UCF大不相同，給使用者帶來(lái)許多額外挑 戰(zhàn)。Xilinx工具專家告訴你，其實(shí)用好XDC很容易，只需掌握幾點(diǎn)核心技巧，并且時(shí)刻牢記：XDC的語(yǔ)法其實(shí)就是Tcl語(yǔ)言。

XDC的優(yōu)勢(shì)

XDC 是Xilinx Design Constraints的簡(jiǎn)寫(xiě)，但其基礎(chǔ)語(yǔ)法來(lái)源于業(yè)界統(tǒng)一的約束規(guī)范SDC（最早由Synopsys公司提出，故名Synopsys Design Constraints）。所以SDC、XDC跟Vivado Tcl的關(guān)系如下圖所示。

XDC在本質(zhì)上就是Tcl語(yǔ)言，但其僅支持基本的Tcl語(yǔ)法如變量、列表和運(yùn)算符等等，對(duì)其它復(fù)雜的循環(huán)以及文件I/O等語(yǔ)法可以通過(guò)在Vivado中source一個(gè)Tcl文件的方式來(lái)補(bǔ)充。（對(duì)Tcl話題感興趣的讀者可以參考作者的另一篇文章《Tcl在Vivado中的應(yīng)用》）

XDC與UCF的最主要區(qū)別有兩點(diǎn)：

1. XDC可以像UCF一樣作為一個(gè)整體文件被工具讀入，也可以在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中被當(dāng)作一個(gè)個(gè)單獨(dú)的命令直接執(zhí)行。這就決定了XDC也具有Tcl命令的特點(diǎn)，即后 面輸入的約束在有沖突的情況下會(huì)覆蓋之前輸入的約束（時(shí)序例外的優(yōu)先級(jí)會(huì)在下節(jié)詳述）。另外，不同于UCF是全部讀入再處理的方式，在XDC中，約束是讀 一條執(zhí)行一條，所以先后順序很重要，例如要設(shè)置IO約束之前，相對(duì)應(yīng)的clock一定要先創(chuàng)建好。

2. UCF是完全以FPGA的視角看問(wèn)題，所以缺省認(rèn)為所有的時(shí)鐘之間除非預(yù)先聲明是同步的，否則就視作異步而不做跨時(shí)鐘域時(shí)序分析；XDC則恰恰相 反，ASIC世界的血緣背景決定了在其中，所有的時(shí)鐘缺省視作全同步，在沒(méi)有時(shí)序例外的情況下，工具會(huì)主動(dòng)分析每一條跨時(shí)鐘域的路徑。

XDC的基本語(yǔ)法

XDC 的基本語(yǔ)法可以分為時(shí)鐘約束、I/O約束以及時(shí)序例外約束三大類。根據(jù)Xilinx的UltraFast設(shè)計(jì)方法學(xué)中Baseline部分的建議 （UG949中有詳細(xì)介紹），對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行約束的先后順序也可以依照這三類約束依次進(jìn)行。本文對(duì)可以在幫助文檔中查到的基本XDC語(yǔ)法不做詳細(xì)解釋，會(huì) 將重點(diǎn)放在使用方法和技巧上。

時(shí)鐘約束

時(shí) 鐘約束必須最早創(chuàng)建，對(duì)7系列FPGA來(lái)說(shuō)，端口進(jìn)來(lái)的主時(shí)鐘以及GT的輸出RXCLK/TXCLK都必須由用戶使用create_clock自主創(chuàng)建。 如果是差分輸入的時(shí)鐘，可以僅僅在差分對(duì)的P側(cè)用get_ports獲取端口，并使用create_clock創(chuàng)建。例如，

Vivado自動(dòng)推導(dǎo)的衍生時(shí)鐘

MMCM/PLL /BUFR的輸出作為衍生時(shí)鐘，可以由Vivado自動(dòng)推導(dǎo)，無(wú)需用戶創(chuàng)建。自動(dòng)推導(dǎo)的好處在于當(dāng)MMCM/PLL/BUFR的配置改變而影響到輸出時(shí)鐘 的頻率和相位時(shí)，用戶無(wú)需改寫(xiě)約束，Vivado仍然可以自動(dòng)推導(dǎo)出正確的頻率/相位信息。劣勢(shì)在于，用戶并不清楚自動(dòng)推導(dǎo)出的衍生鐘的名字，當(dāng)設(shè)計(jì)層次 改變時(shí)，衍生鐘的名字也有可能改變。這樣就會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：用戶需要使用這些衍生鐘的名字來(lái)創(chuàng)建I/O約束、時(shí)鐘關(guān)系或是時(shí)序例外等約束時(shí)，要么不知道時(shí) 鐘名字，要么時(shí)鐘名字是錯(cuò)的。

推薦的做法是，由用戶來(lái)指定這類衍生時(shí)鐘的名字，其余頻率等都由Vivado 自動(dòng)推導(dǎo)。這樣就只需寫(xiě)明create_generated_clock 的三個(gè)option，其余不寫(xiě)即可。如下所示。

當(dāng) 然，此類情況下用戶也可以選擇完全由自己定義衍生時(shí)鐘，只需補(bǔ)上其余表示頻率/相位關(guān)系的option，包括-multiply_by 、-devide_by 等等。需要注意的是，一旦Vivado在MMCM/PLL/BUFR 的輸出檢測(cè)到用戶自定義的衍生時(shí)鐘，就會(huì)報(bào)告一個(gè)Warning，提醒用戶這個(gè)約束會(huì)覆蓋工具自動(dòng)推導(dǎo)出的衍生時(shí)鐘（例外的情況見(jiàn)文章下半段重疊時(shí)鐘部分 的描述），用戶須保證自己創(chuàng)建的衍生鐘的頻率等屬性正確。

用戶自定義的衍生時(shí)鐘

工具不能自動(dòng)推導(dǎo)出衍生鐘的情況，包括使用寄存器和組合邏輯搭建的分頻器等，必須由用戶使用create_generated_clock 來(lái)創(chuàng)建。舉例如下，

I/O約束

在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，可以不加I/O約束，讓工具專注于滿足FPGA內(nèi)部的時(shí)序要求。當(dāng)時(shí)序要求基本滿足后，再加上I/O約束跑實(shí)現(xiàn)。XDC中的I/O約束有以下幾點(diǎn)需要注意：

1. 不加任何I/O約束的端口時(shí)序要求被視作無(wú)窮大。

2. XDC中的set_input_delay / set_output_delay對(duì)應(yīng)于UCF中OFFSET IN / OFFSET OUT，但視角相反。OFFSET IN / OFFSET OUT是從FPGA內(nèi)部延時(shí)的角度來(lái)約束端口時(shí)序，set_input_delay / set_output_delay則是從系統(tǒng)角度來(lái)約束。

3. 典型的I/O時(shí)序，包括系統(tǒng)同步、源同步、SDR和DDR等等，在Vivado圖形界面的XDC templates中都有示例。2014.1版后還有一個(gè)Timing Constraints Wizard可供使用。

時(shí)序例外約束

時(shí) 序例外約束包括set_max_delay/set_min_delay，set_multicycle_path，set_false_path等，這 類約束除了要滿足XDC的先后順序優(yōu)先級(jí)外，還受到自身優(yōu)先級(jí)的限制。一個(gè)總的原則就是針對(duì)同一條路徑，對(duì)約束目標(biāo)描述越具體的優(yōu)先級(jí)越高。不同的時(shí)序例 外約束以及同一約束中不同條件的優(yōu)先級(jí)如下所示：

舉例來(lái)說(shuō)，依次執(zhí)行如下兩條XDC，盡管第二條最后執(zhí)行，但工具仍然認(rèn)定第一條約束設(shè)定的15為clk1到clk2之間路徑的max delay值。

再比如，對(duì)圖示路徑依次進(jìn)行如下四條時(shí)序例外約束，優(yōu)勝者將是第二條。但如果再加入最后一條約束，false path的優(yōu)先級(jí)最高，會(huì)取代之前所有的時(shí)序例外約束。

高級(jí)時(shí)鐘約束

約束最終是為了設(shè)計(jì)服務(wù)，所以要用好XDC就需要深入理解電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)需求。接下來(lái)我們就以常見(jiàn)FPGA設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)來(lái)舉例，詳細(xì)闡述XDC的約束技巧。

時(shí)序的零起點(diǎn)

用 create_clock定義的主時(shí)鐘的起點(diǎn)即時(shí)序的"零起點(diǎn)"，在這之前的上游路徑延時(shí)都被工具自動(dòng)忽略。所以主時(shí)鐘創(chuàng)建在哪個(gè)"點(diǎn)"很重要，以下圖所 示結(jié)構(gòu)來(lái)舉例，分別于FPGA輸入端口和BUFG輸出端口創(chuàng)建一個(gè)主時(shí)鐘，在時(shí)序報(bào)告中體現(xiàn)出的路徑延時(shí)完全不同，很明顯sysclk_bad的報(bào)告中缺 少了之前一段的延時(shí)，時(shí)序報(bào)告不可信。

時(shí)鐘定義的先后順序

時(shí)鐘的定義也遵從XDC/Tcl的一般優(yōu)先級(jí)，即：在同一個(gè)點(diǎn)上，由用戶定義的時(shí)鐘會(huì)覆蓋工具自動(dòng)推導(dǎo)的時(shí)鐘，且后定義的時(shí)鐘會(huì)覆蓋先定義的時(shí)鐘。若要二者并存，必須使用 -add 選項(xiàng)。

上 述例子中BUFG的輸出端由用戶自定義了一個(gè)衍生鐘clkbufg，這個(gè)衍生鐘便會(huì)覆蓋此處原有的sysclk。此外，圖示BUFR工作在bypass模 式，其輸出不會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建衍生鐘，但在BUFR的輸出端定義一個(gè)衍生鐘clkbufr，并使用-add 和 -master_clock 選項(xiàng)后，這一點(diǎn)上會(huì)存在sysclk和clkbufg兩個(gè)重疊的時(shí)鐘。如下的Tcl命令驗(yàn)證了我們的推論。

同步時(shí)鐘和異步時(shí)鐘

不同于UCF約束，在XDC中，所有的時(shí)鐘都會(huì)被缺省認(rèn)為是相關(guān)的，也就是說(shuō)，網(wǎng)表中所有存在的時(shí)序路徑都會(huì)被Vivado分析。這也意味著FPGA設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)約束告訴工具，哪些路徑是無(wú)需分析的，哪些時(shí)鐘域之間是異步的。

如上圖所示，兩個(gè)主時(shí)鐘ssclkin和sysclk由不同的端口進(jìn)入FPGA，再經(jīng)由不同的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)傳遞，要將它們?cè)O(shè)成異步時(shí)鐘，可以使用如下約束：

其中，-include_generated_clocks 表示所有衍生鐘自動(dòng)跟其主時(shí)鐘一組，從而與其它組的時(shí)鐘之間為異步關(guān)系。不加這個(gè)選項(xiàng)則僅僅將時(shí)鐘關(guān)系的約束應(yīng)用在主時(shí)鐘層面。

重疊（單點(diǎn)多個(gè)）時(shí)鐘

重疊時(shí)鐘是指多個(gè)時(shí)鐘共享完全相同的時(shí)鐘傳輸網(wǎng)絡(luò)，例如兩個(gè)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)一個(gè)MUX選擇后輸出的時(shí)鐘，在有多種運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)。

如下圖所示，clk125和clk250是clkcore_buf的兩個(gè)輸入時(shí)鐘，不約束時(shí)鐘關(guān)系的情況下，Vivado會(huì)對(duì)圖示路徑做跨 時(shí)鐘域（重疊時(shí)鐘之間）分析。這樣的時(shí)序報(bào)告即便沒(méi)有違例，也是不可信的，因?yàn)閏lk125和clk250不可能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這條路徑上的時(shí)序元件。這么做也 會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間，并影響最終的實(shí)現(xiàn)效果。

如果clk125和clk250除了通過(guò)clkcore_buf后一模一樣的扇出外沒(méi)有驅(qū)動(dòng)其它時(shí)序元件，我們要做的僅僅是補(bǔ)齊時(shí)鐘關(guān)系的約束。

在 很多情況下，除了共同的扇出，其中一個(gè)時(shí)鐘或兩個(gè)都還驅(qū)動(dòng)其它的時(shí)序元件，此時(shí)建議的做法是在clkcore_buf的輸出端上創(chuàng)建兩個(gè)重疊的衍生鐘，并 將其時(shí)鐘關(guān)系約束為-physically_exclusive 表示不可能同時(shí)通過(guò)。這樣做可以最大化約束覆蓋率，也是ISE和UCF中無(wú)法做到的。

其它高級(jí)約束

時(shí)鐘的約束是XDC的基礎(chǔ)，熟練掌握時(shí)鐘約束，也是XDC約束技巧的基礎(chǔ)。其它高級(jí)約束技巧，包括復(fù)雜的CDC（Clock Domain Crossing）約束和接口時(shí)序（SDR、DDR、系統(tǒng)同步接口和源同步接口）約束等方面還有很多值得注意的地方。

這一系列《XDC約束技巧》文章還會(huì)繼續(xù)就上述所列方向分篇詳述，敬請(qǐng)關(guān)注作者的后續(xù)更新，以及Xilinx 官方網(wǎng)站和中文論壇上的更多技術(shù)文章。

Ally Zhou 2014-9-25 于Xilinx上海Office