如何理解和使用做FPGA設(shè)計(jì)時(shí)的過約束？

有人希望能談?wù)勗谧?a target="_blank">FPGA設(shè)計(jì)的時(shí)候，如何理解和使用過約束。我就以個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)談?wù)劊?/p>

什么是過約束；

為什么會(huì)使用過約束；

過約束的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么；

如何使用過約束使自己的設(shè)計(jì)更為健壯。

什么是過約束（overconstraint）

所謂過約束，就是給目標(biāo)時(shí)鐘一個(gè)超過其設(shè)定運(yùn)行頻率的約束。比如實(shí)際運(yùn)行的時(shí)鐘頻率是100MHz，我們?cè)诮o這個(gè)時(shí)鐘添加約束的時(shí)候，要求它能運(yùn)行在120MHz。

為什么會(huì)使用過約束

通常在兩種情況下，我們可能會(huì)使用過約束。

第一種情況，F(xiàn)PGA的時(shí)序報(bào)告不準(zhǔn)確，為了確保邏輯的實(shí)際運(yùn)行頻率能滿足要求，做過約束來保留設(shè)計(jì)余量。

FPGA的時(shí)序報(bào)告是基于FPGA的時(shí)序模型計(jì)算出來的，時(shí)序模型來源于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試和對(duì)生產(chǎn)過程的嚴(yán)格控制，是要充分考慮PVT（Process，Voltage，Temperature）的影響計(jì)算出來的。對(duì)比較成熟的FPGA廠家來說，研發(fā)，生產(chǎn)，測(cè)試都有標(biāo)準(zhǔn)流程控制，這一部分的數(shù)據(jù)還是比較可靠的。如果是新的廠家，大家可能要做好時(shí)序模型不準(zhǔn)確的心理準(zhǔn)備。在工藝不變的情況下，信號(hào)的傳輸，翻轉(zhuǎn)速率隨電壓，溫度的變化而變化。一般來說，溫度越低，電壓越高，信號(hào)的傳輸，翻轉(zhuǎn)越快，反之越慢。而FPGA的設(shè)計(jì)軟件在做STA的時(shí)候，往往是根據(jù)最差的工作條件下的（Worst Case）給出的。所以我們會(huì)看到這樣的現(xiàn)象，時(shí)序報(bào)告顯示的時(shí)序是不滿足設(shè)計(jì)要求的，但邏輯運(yùn)行到FPGA上功能又是正常的。這是因?yàn)镕PGA的實(shí)際運(yùn)行條件要比Worst Case好，實(shí)際的時(shí)序也優(yōu)于報(bào)告的結(jié)果。如果是這種情況，可以不考慮使用過約束。

第二種情況，對(duì)某些關(guān)鍵的時(shí)鐘域，時(shí)序不太容易滿足，施加一個(gè)更高的時(shí)鐘約束，以期望軟件能跑出一個(gè)滿意的結(jié)果。如果是這種情況，需要注意的是EDA軟件在做布局布線的時(shí)候，會(huì)根據(jù)邏輯功能和時(shí)鐘頻率分配布局布線資源。過約束加的不合理，會(huì)造成非關(guān)鍵路徑占用有限的布局布線資源，反而會(huì)使布局布線的結(jié)果更差。所以在做過約束的時(shí)候，要根據(jù)你的設(shè)計(jì)合理設(shè)置，不能簡單的把所有時(shí)鐘都做過約束。

過約束的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

過約束的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，會(huì)讓的設(shè)計(jì)運(yùn)行的余量更大。缺點(diǎn)除了我們上面討論的，如果在你的設(shè)計(jì)里面有跨時(shí)鐘域的信號(hào)傳遞，而你沒有對(duì)跨時(shí)鐘域的路徑做約束，軟件在分析跨時(shí)鐘域的delay的時(shí)候，由于變成過約束后，源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘的頻率相關(guān)性變化了，這部分的delay約束就變成了無限小，布局布線更困難了。這是我們?cè)谧鲞^約束設(shè)計(jì)的時(shí)候要特別注意的。

過約束還有一個(gè)問題是，比如你的設(shè)計(jì)頻率是100MHz，添加的約束是120MHz。那么在做STA的時(shí)候，軟件還是按照120MHz來分析。即使你的布局布線的時(shí)序結(jié)果是119MHz，已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，但在時(shí)序報(bào)告上，還會(huì)顯示時(shí)序不滿足。這給我們的時(shí)序分析帶來一些麻煩。

如何使用過約束使自己的設(shè)計(jì)更為健壯

在使用過約束的時(shí)候，一般情況下，以增加20%-30%為宜，太大的余量并沒有太大的意義。如果該時(shí)鐘有跨時(shí)鐘域的操作，一定要通過專門的約束（Multicycle或max delay）在明確定義這部分的延時(shí)要求。

在Lattice的設(shè)計(jì)軟件中，為了配合過約束的使用，增加的一個(gè)PAR_ADJ屬性：

FREQUENCY NET“sys_clk” 100.000000 MHz PAR_ADJ 20.000000 ;

這樣的約束會(huì)告訴軟件，用100+20=120MHz做布局布線的時(shí)候，而用100MHz的約束來做STA，這樣就不會(huì)發(fā)生我們前面遇到的困擾了。

GUI的界面是這樣的：

原文標(biāo)題：FPGA的過約束

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責(zé)任編輯：haq