XDC的時(shí)鐘約束及優(yōu)勢

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 的語法其實(shí)就是 Tcl 語言。

XDC 的優(yōu)勢

XDC 是 Xilinx Design Constraints 的簡寫，但其基礎(chǔ)語法來源于業(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 語言，但其僅支持基本的 Tcl 語法如變量、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 等語法可以通過在 Vivado 中 source 一個(gè) Tcl 文件的方式來補(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的基本語法

XDC的基本語法可以分為時(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來說，端口進(jìn)來的主時(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。而衍生時(shí)鐘則分為以下兩類：
MMCM/PLL/BUFR的輸出時(shí)鐘都可以由Vivado自動(dòng)推導(dǎo)，無需用戶創(chuàng)建。若用戶僅希望改變衍生鐘的名字，其余頻率等都由工具自動(dòng)推導(dǎo)，則只需寫明三個(gè)option，其余不寫即可：create_generated_clock [-name arg] [-source args] [-master_clock arg] 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來創(chuàng)建。

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：

不加任何I/O約束的端口時(shí)序要求被視作無窮大。

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)的角度來約束端口時(shí)序，set_input_delay / set_output_delay則是從系統(tǒng)角度來約束。

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：

?

舉例來說，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。

高效的時(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。接下來我們就以常見FPGA設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)來舉例，詳細(xì)闡述XDC的約束技巧。