一文詳解FPGA編程技巧輸入輸出偏移約束

1. 偏移約束的作用

偏移約束（Offset Constraint）用來定義一個(gè)外部時(shí)鐘引腳（Pad）和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的時(shí)序關(guān)系，這種時(shí)序關(guān)系也被稱為器件上的Pad-to-Setup或Clock-to-Out路徑這些約束對(duì)與外部元器件相連的接口十分重要，在這里，需要解釋兩個(gè)術(shù)語(yǔ)：

Pad-to-Setup：也被稱為OFFSET IN BEFORE約束，是用來保證外部輸入時(shí)鐘和外部輸入數(shù)據(jù)的時(shí)序滿足FPGA內(nèi)部觸發(fā)器的建立時(shí)間要求的如下圖TIN_BEFORE約束使得FPGA在進(jìn)行DATA_IN和CLK_SYS布線時(shí)努力保證DATA_IN相對(duì)于CLK_SYS的延時(shí)小于TIN_BEFORE

Clock-to-Out：也被稱為OFFSET OUT AFTER約束，是用來滿足下游器件建立保持（setup/hold）要求或輸出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間時(shí)序要求的

OFFSET IN BEFORE 或OFFSET OUT AFTER約束允許用戶指定外部輸入或輸出引腳相對(duì)于時(shí)鐘邊沿到內(nèi)部數(shù)據(jù)的延時(shí)

1.1輸入偏移約束時(shí)序參考圖

1.2輸出偏移約束時(shí)序參考圖

Xilinx FPGA有三個(gè)層次的約束：

Global OFFSET：為所有輸入或輸出指定相對(duì)某個(gè)特定時(shí)鐘的約束；

Group OFFSET：為一組輸入或者輸出指定相對(duì)驅(qū)動(dòng)他們的時(shí)鐘的約束

Net-Specific OFFSET：為某個(gè)特定的輸入或者輸出指定相對(duì)其驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的約束；

在進(jìn)行約束的詳細(xì)講解之前，必須明確兩個(gè)概念：

建立時(shí)間setup time

指在觸發(fā)器始終上升沿到來之前，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的時(shí)間，如果建立時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)將不能被打入觸發(fā)器；

保持時(shí)間hold time

指觸發(fā)器的時(shí)鐘上升沿到來之后數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定不變的時(shí)間，如果保持時(shí)間不夠，數(shù)據(jù)不能被打入觸發(fā)器；

1.3建立保持時(shí)間時(shí)序圖

2. OFFSET IN約束

OFFSET IN約束用來設(shè)定Pad-to-Setup時(shí)序要求OFFSET IN是對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)鐘關(guān)系的一種說明它當(dāng)分析建立時(shí)間要求（data_delay+setup-clock_delay-clock_arrival要求滿足約束條件）的時(shí)候，需要考慮時(shí)鐘延時(shí)（clock delay）、時(shí)鐘邊沿（clock edge）、DLL/DCM引入的時(shí)鐘相位

2.1. OFFSET IN BEFORE 約束

OFFSET IN BEFORE約束限定了數(shù)據(jù)從引腳傳播到同步元件并在同步元件建立起來的所需的時(shí)間比如 “OFFSET = IN 2 ns BEFORE clock_pad”這個(gè)約束，限定數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)時(shí)鐘邊沿到來之前2ns內(nèi)讀取，因此FPGA會(huì)規(guī)劃使得數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)鐘邊沿的超前2ns之內(nèi)

2.1OFFSET IN BEFORE約束帶校準(zhǔn)功能的電路

上圖FPGA在布線時(shí)會(huì)盡力去滿足如下不等式：

TData + TSetup - TClock 《= Toffset_IN_BEFORE；

2.1.1. VALID約束

OFFSET IN約束往往和VALID約束一起使用OFFSET IN約束在建立時(shí)間分析中作為建立時(shí)間要求使用，而VALID約束在保持時(shí)間約束中作為保持時(shí)間要求使用VALID約束指定了輸入數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間在默認(rèn)情況下，F(xiàn)PGA指定VALID和OFFSET的值相等，也即FPGA在默認(rèn)情況下認(rèn)為保持時(shí)間為0

2.2帶有VALID約束的輸入偏移約束

2.1.2. OFFSET IN約束的一個(gè)簡(jiǎn)單例子

FPGA的分析工具在綜合時(shí)經(jīng)常會(huì)用到一個(gè)詞：Slack，即松弛時(shí)間，當(dāng)Slack》0時(shí)，該路徑設(shè)計(jì)滿足時(shí)序要求；當(dāng)Slack《0時(shí)，該路徑不滿足時(shí)序要求

Slack = （Requirement - （Data Path - Clock Path - Clock Arrival））

2.3OFFSET IN的簡(jiǎn)單例子時(shí)序

該約束為：

TIMESPEC TS_clock = PERIOD clock_grp 10 ns HIGH 50%；

OFFSET = IN 3 ns BEFORE clock；

2.4OFFSET IN約束時(shí)序報(bào)告

從時(shí)序約束報(bào)告的Slack的值可以看出，Data不能被Clock成功打入觸發(fā)器FF0.

2.2. OFFSET IN AFTER約束

OFFSET IN AFTER和OFFSET IN BEFORE在本質(zhì)上是一樣的，只是形式上不一樣，其約束效果是完全一樣的OFFSET IN AFTER的約束公司如下：

TData + TSetup - TClock 《= TPeriod – Toffset_IN_AFTER；

3. OFFSET OUT約束

OFFSET OUT約束用來定義clock-to-pad時(shí)序要求OFFSET OUT約束是對(duì)外部clock-to-data的說明并且必須考慮clock_delay、clock edge和DLL/DCM時(shí)鐘相位等

3.1. OFFSET OUT AFTER約束

OFFSET OUT AFTER約束定義了數(shù)據(jù)從同步元件傳播到管腳最長(zhǎng)允許時(shí)間可以形象地理解為時(shí)鐘邊沿到達(dá)器件邊界時(shí)數(shù)據(jù)離開器件邊界的時(shí)間“OFFSET = OUT 2 ns AFTER clock_pad”約束意思是從FPGA數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)较掠纹骷臄?shù)據(jù)在參考時(shí)鐘2ns之后一定可讀

3.1OFFSET OUT AFTER約束帶校準(zhǔn)功能的電路

下面公式規(guī)定了數(shù)據(jù)時(shí)鐘的這種關(guān)系：

TQ + TClock2Out + TClock 《= Toffset_OUT_AFTER；

OFFSET OUT AFTER約束沿著參考時(shí)鐘路徑和數(shù)據(jù)路徑的最大延時(shí)不超過偏移值

3.1.1. OFFSET OUT AFTER約束的一個(gè)簡(jiǎn)單例子

同樣的，OFFSET OUT的Slack也定義了輸出約束的松弛時(shí)間：

Slack = （Requirement - （Clock Arrival + Clock Path + Data Path））

3.2OFFSET OUT 約束的簡(jiǎn)單例子

其約束應(yīng)寫為：

TIMESPEC TS_clock = PERIOD clock_grp 10 ns HIGH 50%；

OFFSET = OUT 3 ns AFTER clock；

3.3OFFSET OUT 時(shí)序約束報(bào)告

時(shí)序報(bào)告中Slack=-0.865ns，不滿足時(shí)序約束要求

3.2. OFFSET OUT BEFORE約束

同樣地，OFFSET OUT BEFORE和OFFSET OUT AFTER約束本質(zhì)上沒有什么不同，只是形式上的不一樣的，其約束效果完全一樣