作為賽靈思用戶論壇的定期訪客，我注意到新用戶往往對(duì)時(shí)序收斂以及如何使用時(shí)序約束來達(dá)到時(shí)序收斂感到困惑。為幫助 FPGA設(shè)計(jì)新手實(shí)現(xiàn)時(shí)序收斂，讓我們來深入了解時(shí)序約束以及如何利用時(shí)序約束實(shí)現(xiàn)FPGA 設(shè)計(jì)的最優(yōu)結(jié)果。

何為時(shí)序約束？

為保證設(shè)計(jì)的成功，設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)計(jì)能在特定時(shí)限內(nèi)完成指定任務(wù)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我們可將時(shí)序約束應(yīng)用于連線中——從某 FPGA 元件到 FPGA 內(nèi)部或 FPGA 所在 PCB 上后續(xù)元件輸入的一條或多條路徑。

在 FPGA 設(shè)計(jì)中主要有四種類型的時(shí)序約束：PERIOD、OFFSET IN、OFFSET OUT 以及 FROM: TO（多周期）約束。

PERIOD 約束與建組

每個(gè)同步設(shè)計(jì)要有至少一個(gè)PERIOD 約束（時(shí)鐘周期規(guī)格），這是最基本的約束類型，指定了時(shí)鐘周期及其占空比。若設(shè)計(jì)中有不止一個(gè)時(shí)鐘，則每個(gè)時(shí)鐘都有自己的 PERIOD 約束。PERIOD約束決定了我們?nèi)绾芜M(jìn)行布線，來滿足設(shè)計(jì)正常工作的時(shí)序要求。

為簡(jiǎn)化時(shí)序約束應(yīng)用過程，常常可將具有類似屬性的連線分組為一組總線或一組控制線。這樣做有助于完成正確為設(shè)計(jì)約束定義優(yōu)先級(jí)這一關(guān)鍵步驟。

設(shè)計(jì)約束優(yōu)先次序排列

若設(shè)計(jì)有多重約束，則需進(jìn)行優(yōu)先次序排列。一般來說，約束的一般性越強(qiáng)，其優(yōu)先級(jí)越低。相反，約束的針對(duì)性越強(qiáng)，其優(yōu)先級(jí)越高。舉例來說，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)一般性 PERIOD 約束將被特定網(wǎng)絡(luò)的具有更高優(yōu)先級(jí)的 FROM: TO 約束所覆蓋。

特定 FROM: TO（或 FROM: THRU:TO）約束在時(shí)鐘域內(nèi)任意網(wǎng)絡(luò)中的重要性均高于一般性約束。

為便于進(jìn)行約束的優(yōu)先級(jí)排列，可運(yùn)行賽靈思時(shí)序分析器（ISE® Design Suite中的靜態(tài)時(shí)序分析工具），并生成時(shí)序規(guī)格迭代報(bào)告，即常說的 .tsi 報(bào)告。該報(bào)告說明了各約束間是如何迭代的，以及該工具如何為各約束設(shè)置默認(rèn)優(yōu)先級(jí)。
采用 PRIORITY 約束關(guān)鍵詞可手動(dòng)設(shè)置任一時(shí)序約束的優(yōu)先級(jí)并使其優(yōu)先于默認(rèn)的或預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)。這對(duì)同一路徑上的兩個(gè)或多個(gè)時(shí)序約束發(fā)生沖突時(shí)尤為有用。這里的優(yōu)先級(jí)指的是同一路徑上有兩個(gè)或多個(gè)時(shí)序約束時(shí)，該應(yīng)用哪一個(gè)。其余的低優(yōu)先級(jí)約束則被忽略。優(yōu)先級(jí)可在 -10 ~ +10 的范圍內(nèi)設(shè)置。

PRIORITY 值越低，優(yōu)先級(jí)越高。注意該值不會(huì)影響到哪些路徑應(yīng)率先布局和走線，只有當(dāng)優(yōu)先級(jí)相同的兩個(gè)約束出現(xiàn)在同一路徑上時(shí)，它才會(huì)影響由哪個(gè)約束控制該路徑。

下面將以 PERIOD 只控制從同步元件到同步元件之間的網(wǎng)絡(luò)，如 FFS 到FFS 為例來進(jìn)一步介紹（約束以藍(lán)色顯示如下）：

創(chuàng)建名為 tnm_clk20 的 TIMEGRP（時(shí)序分組），包含網(wǎng)絡(luò) clk20 驅(qū)動(dòng)的所有下游同步組件。這些同步元件間的所有路徑均受時(shí)序規(guī)格“TS_clk20: 20ns”（同步元件到同步元件 20 納秒的時(shí)間要求）的約束。“HIGH 50%”指 clk20 的占空比為50/50。

在第二個(gè)例子中，我們使用 FROM:TO 約束來定義對(duì)兩個(gè)分組間路徑的要求，即：

該命令的作用是告知工具，確保數(shù)據(jù)從時(shí)序分組“my_from_grp”包含的元件到“my_to_grp”的元件所用時(shí)間為 40納秒。時(shí)序分析器仍將計(jì)算從源分組到目標(biāo)分組的時(shí)鐘偏移，不過若時(shí)鐘關(guān)聯(lián)，則優(yōu)先級(jí)較低。也可使用如下預(yù)定義分組：

若不選定時(shí)間單位（納秒、皮秒等），則工具將自動(dòng)默認(rèn)為納秒。例如，可這樣寫約束：

也可只寫From 或 只寫To ，以使其更具一般性：

如前所述，工具將自動(dòng)默認(rèn)上文所述所有 FROM: TO 約束的優(yōu)先級(jí)高于PERIOD 約束，除非另有規(guī)定。

詳細(xì)查看 .tsi 報(bào)告

除幫助查看時(shí)序約束迭代外，.tsi 報(bào)告還就如何改進(jìn)通用約束文件 (UCF) 中的約束提供方法建議。該報(bào)告還會(huì)告知是否有路徑受多重時(shí)鐘域的約束。下面是約束迭代報(bào)告的例子：

在本例中，高優(yōu)先級(jí)的 FROM: TO約束（僅一個(gè)）將優(yōu)先于 PERIOD 約束應(yīng)用。

建立和保持

在實(shí)際的同步數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)必須先于進(jìn)行采樣的時(shí)鐘脈沖邊沿到達(dá)。達(dá)到這一目標(biāo)所需的最短時(shí)間稱為“建立時(shí)間”。除了先于時(shí)鐘脈沖邊沿到達(dá)外，數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘脈沖邊沿保持一定時(shí)間，這一時(shí)間稱為“保持時(shí)間”。保持時(shí)間可
以為負(fù)，此時(shí)數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖邊沿到達(dá)前便已結(jié)束；可以為零，此時(shí)數(shù)據(jù)保持到時(shí)鐘脈沖邊沿采樣；也可為正，此時(shí)數(shù)據(jù)保持到時(shí)鐘脈沖邊沿采樣完畢后一段時(shí)間。

根據(jù)設(shè)計(jì)，在 FPGA 架構(gòu)中，對(duì)所有速度等級(jí)，保持時(shí)間均不為正（或零或負(fù)）。這樣可簡(jiǎn)化布局和布線，因數(shù)據(jù)只
需先于時(shí)鐘脈沖邊沿到達(dá)，并可在時(shí)鐘脈沖邊沿采樣發(fā)生后即刻發(fā)生變化。數(shù)據(jù)超出最小建立時(shí)間的值稱為時(shí)序裕量。時(shí)序裕量應(yīng)總是為正。若報(bào)告上出現(xiàn)時(shí)序裕量負(fù)值，則說明建立時(shí)序尚未得到充分滿足，數(shù)據(jù)到達(dá)太遲。

時(shí)鐘路徑本身也有延遲或偏移。因此，要分析時(shí)序，工具需計(jì)算出數(shù)據(jù)和時(shí)鐘到達(dá)所分析觸發(fā)器的時(shí)間。

約束違例的簡(jiǎn)便補(bǔ)救辦法

重申一下：PERIOD 約束定義的是觸發(fā)器等同步元件的時(shí)鐘周期?？墒褂脮r(shí)序分析器來驗(yàn)證同步元件之間的所有路徑是否滿足設(shè)計(jì)的建立和保持時(shí)序要求。PERIOD 約束違例將以負(fù)的時(shí)序裕量顯示在在時(shí)序報(bào)告，并說明到底是建立時(shí)間還是保持時(shí)間要求出現(xiàn)違例。所以若報(bào)告顯示發(fā)生了建立時(shí)間違例時(shí)該作何處理？應(yīng)找出兩個(gè)所分析的同步元件間一條較快路徑，或至少是某種方法來確保數(shù)據(jù)在合適時(shí)間內(nèi)到達(dá)并保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便時(shí)鐘脈沖邊沿能夠正確采樣。若布局布線軟件無法找到更快的路徑，則可從 FPGA Editor 工具中手動(dòng)進(jìn)行布線。

不過這是最后的手段。在弄清楚不用它如何解決問題之前，請(qǐng)盡量不要使用這種方法。只使用 FPGA Editor 查看底層結(jié)構(gòu)“知其所以然”，了解工具對(duì)設(shè)計(jì)的所做的處理，以達(dá)到讓設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)氖褂肍PGA 資源來實(shí)現(xiàn)的目的。首先試試重構(gòu)電路來滿足設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法就是在路徑上及早布置一個(gè)觸發(fā)器。該技術(shù)即為流水線，它會(huì)增加信號(hào)的延遲，不過也可使信號(hào)值得到正確地采樣。

若出現(xiàn)保持時(shí)間違例（數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖邊沿到來之前便已結(jié)束），則往往說明存在設(shè)計(jì)問題（架構(gòu)不良）。數(shù)值只能
在時(shí)鐘脈沖邊沿發(fā)生變化，而不是之前。

若外部信號(hào)值在時(shí)鐘脈沖邊沿之前發(fā)生變化，則需使用 DCM 或 PLL 延遲時(shí)鐘脈沖邊沿，這樣數(shù)據(jù)才能由新的延遲時(shí)鐘正確采樣。

有一種替代方法，就是在輸入/ 輸出模塊中使用 IDELAY 元件，將數(shù)據(jù)移到時(shí)鐘有效的位置上。

數(shù)據(jù)有效窗口與亞穩(wěn)態(tài)時(shí)鐘脈沖邊沿之前的時(shí)間（建立）加上時(shí)鐘脈沖邊沿之后的時(shí)間（保持）即為“數(shù)據(jù)有效窗口”，也就是數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，以進(jìn)行正常采樣的時(shí)間。若數(shù)據(jù)在此期間沒有保持有效，則結(jié)果存在不確定性，或不可知。

不過，數(shù)據(jù)的有效時(shí)間未達(dá)到規(guī)定的長(zhǎng)度，并不意味著觸發(fā)器輸出為亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)不同于不確定。若不能滿足時(shí)序要求，則輸出可能為隨機(jī)的 1 或 0。亞穩(wěn)態(tài)是指時(shí)鐘脈沖邊沿“幾乎”能進(jìn)行狀態(tài)采集，而觸發(fā)器輸出則在時(shí)鐘脈沖邊沿之后的一段時(shí)間內(nèi)處于某種中間狀態(tài)（非 1 非 0）。亞穩(wěn)態(tài)無法避免，因其為時(shí)鐘脈沖邊沿和數(shù)據(jù)幾乎完全“錯(cuò)過”時(shí)的電路物理狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)合理的同步系統(tǒng)中，亞穩(wěn)態(tài)不是什么問題。當(dāng)出現(xiàn)異步情況（如敲擊鍵盤上的一個(gè)鍵）或當(dāng)兩個(gè)同步時(shí)鐘彼此異步時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)就會(huì)成為問題。一般而言，若出現(xiàn)異步情況，則需進(jìn)行同步處理。

關(guān)于如何處理亞穩(wěn)態(tài)的情況，這里有篇不錯(cuò)的專題文章： http://www.stanford.edu/class/ee183/handouts_
spr2003/synchronization_pres.pdf 。（要深入了解亞穩(wěn)態(tài)，請(qǐng)查看本期第二篇文章 FPGA101）

傳輸時(shí)間與 OFFSET 約束

信號(hào)從 A 點(diǎn)到達(dá) B 點(diǎn)所用的時(shí)間稱為傳輸時(shí)間。它取決于傳輸介質(zhì)中光傳播的速度。例如，PCB 電路板上的走線以 6~7 皮秒/ 毫米來傳輸信號(hào)。可采用多種方法來確定這一時(shí)間值，例如進(jìn)行仿真，或在材料介電常數(shù)與走線幾何結(jié)構(gòu)已知的情況下，列方程求解。在芯片內(nèi)，信號(hào)的行為方式也很類似，不過也會(huì)因通過緩存器、反相器、邏輯和互聯(lián)等有
源電路而發(fā)生延遲。

傳輸時(shí)間是可測(cè)量的，通常用示波器來測(cè)量。當(dāng)路徑上無有源元件時(shí)，傳輸時(shí)間一般不會(huì)有太大變化。若路徑在芯片內(nèi)，則晶體管的作用會(huì)使路徑延遲在最大值與最小值之間變化。設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足二者的時(shí)序要求。

為告訴工具數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)特定位置，需使用另一種名為“OFFSET_IN”的約束。“OFFSET_IN”約束在時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)入器件時(shí)，對(duì)其關(guān)系進(jìn)行了定義。以如下約束為例：

該約束告知工具，數(shù)據(jù)將在 clk20 脈沖上升沿之前 2 納秒建立在 PAD 上，并在到達(dá)后 16 納秒內(nèi)保持有效。該約束只對(duì)那些進(jìn)入由 clk20 或其衍生（衍生約束）提供時(shí)鐘的寄存器的 PAD 有效。

OFFSET 要求在 clk20 上有一個(gè)PERIOD 約束，這樣才能理解時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。如下這樣也可接受：

不過，該約束不會(huì)檢查保持時(shí)間，因不清楚數(shù)據(jù)何時(shí)會(huì)從 FPGA 的引腳結(jié)束。若數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖邊沿 2 納秒之后才建立，則使用如下方案：

OFFSET_IN 適用于進(jìn)入器件的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，另一種常見的OFFSET_OUT 約束定義時(shí)鐘在 FPGA 輸入處發(fā)生跳變后數(shù)據(jù)離開器件所需的時(shí)間。以下為常見的 OFFSET_OUT 用法：

該約束告知工具，需確保輸入時(shí)鐘在 FPGA 輸入跳變后 3 納秒時(shí)長(zhǎng)后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 FPGA 的輸出引腳上。該約束僅應(yīng)用于由 clk20 或其衍生（衍生約束）提供時(shí)鐘的寄存器驅(qū)動(dòng)的 PAD。OFFSET 要求在 clk20 上有 PERIOD 約束，這樣才能理解時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。保持時(shí)間不受 OFFSET_OUT 的約束。

若需要數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖邊沿前 2 納秒到達(dá)FPGA 輸出，則使用：

分組與分組名稱

時(shí)間分組是用來識(shí)別對(duì)于同步元件間的路徑集或連線集的約束的一種方式。向時(shí)序分組添加組件，應(yīng)使用 TNM、TNM_NET 或 TIMEGRP。

通過定義分組并給定分組之間的時(shí)序要求，可對(duì)路徑進(jìn)行約束。部分約束不需要時(shí)序分組，如 NET MAXDELAY。這一最大延遲 (MAXDELAY) 屬性定義了一條連線上允許的最大延遲。

時(shí)序名稱

向用戶定義的分組添加組件，可這樣處理：

在此，“TNM”為保留字，用于定義時(shí)序分組的名稱。

在這種情況下，object_name 為帶分組元件或信號(hào)的名稱，predefined_group 為可選關(guān)鍵詞，標(biāo)示符可以是字母、數(shù)字和下劃線的任意組合。不能使用諸如 FFS、LATCHES 或RAMS 這樣的保留字。該變量對(duì)大小寫敏感。（TNM=abc 不等于 TNM=ABC）。

可將 TNM 應(yīng)用于任何連線、元件引腳、原語或宏。組件可加入一個(gè)以上的分組。例如，my_ffs_group TNM 中可含有 my_ff組件。同樣，my_ffs_group2 TNM 也可包含 my_ff 組件。要?jiǎng)?chuàng)建分組，請(qǐng)使用：

為時(shí)序目的，可在分組中包含任何關(guān)鍵詞元件。在本例中，NET CLOCK可追溯到觸發(fā)器 (FFS)。這些觸發(fā)器使用名稱 clk_group 進(jìn)行時(shí)序命名 (TNM)。然后，clk_group 就可以在TIMESPECS中使用了。也可使用實(shí)例創(chuàng)建分組，如：

在 macro1 宏中的所有 LATCHES都放在名為 latchgroup 的分組中。類似的，在約束“INST mymac TNM=RAMS memories”中，所有 mymac 宏中的RAMS 都將放在稱為 memories 的分組中。且在以下約束中：

所有在 t e s t e r 宏中的 PADS、LATCHES、RAMS 及 FFS 都將放在名為 coverall 的分組中。相關(guān)的約束指南將包含完整的預(yù)定義分組列表。

簡(jiǎn)潔至上

一般而言，約束的數(shù)量越少越好。復(fù)雜的約束引發(fā)的問題往往比解決的要多。另外，部分路徑或網(wǎng)絡(luò)是非關(guān)鍵性的，可對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)不使用約束。TIG（時(shí)序忽略）約束用于清除對(duì)無需關(guān)注的路徑，或從虛假路徑上移除約束。以下為常見 TIG：

這條約束告知工具無需約束該路徑。這條的作用很重要，它可使工具不必在不關(guān)注的路徑上花費(fèi)精力去滿足時(shí)序要求。在時(shí)序約束時(shí)忽略此路徑可縮短工具運(yùn)行時(shí)間，提升所關(guān)注的路徑上的時(shí)序質(zhì)量。也可搭配“FROM: TO”約束來使用“TIG”，如下所示：

賽靈思有大量寶貴的關(guān)于時(shí)序約束的資源，其中最值得一讀的，我已在以下參考文獻(xiàn)中列出。若您有更深入的問題，請(qǐng)隨時(shí)與我聯(lián)系。我邀請(qǐng)您參加賽靈思社區(qū)論壇，該論壇可為 您的一些FPGA 設(shè)計(jì)中最棘手的問題提供充分的解答。

參考文獻(xiàn)：
《約束指南》：UCF、PCF、HDL 約束語法， http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx11/
cgd.pdf 。

《時(shí)序約束用戶指南》：如何約束設(shè)計(jì)的概念信息， http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx11/ug612.pdf 。