FPGA設(shè)計(jì)之時(shí)序約束

第一章 FPGA時(shí)序約束分享02_時(shí)鐘約束

作者：潘文明

上一篇《FPGA時(shí)序約束分享01_約束四大步驟》一文中，介紹了時(shí)序約束的四大步驟。

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? ?上圖是四大步驟，并且每個(gè)步驟都分別展開(kāi)了各種情況，后續(xù)可以參考對(duì)照，分別添加時(shí)序約束。本文講述上圖中的第1點(diǎn)：時(shí)鐘約束。

? ?時(shí)鐘約束分三種情況：輸入時(shí)鐘、PLL等衍生時(shí)鐘以及自己分頻的時(shí)鐘。而其中輸入時(shí)鐘又可再分三種，第一種是輸入管腳是CLK的，第二種是差分時(shí)鐘，最后一種是GT或?恢復(fù)的一個(gè)時(shí)鐘。下面分別展開(kāi)描述。

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第1節(jié) 輸入時(shí)鐘

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? ?輸入時(shí)鐘根據(jù)管腳情況，有三種三種，第一種是輸入管腳是CLK的，第二種是差分時(shí)鐘，最后一種是GT或?恢復(fù)的一個(gè)時(shí)鐘。

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? 1.1 輸入管腳CLK

? ? 時(shí)鐘直接從管腳輸入，如上圖所示。這種是最常見(jiàn)的一個(gè)情況，包括明德?lián)P的MP603、MP801學(xué)習(xí)板，其時(shí)鐘都是由外部的晶振產(chǎn)生，然后直接輸入管腳進(jìn)來(lái)的，這種情況的生成時(shí)鐘約束是最簡(jiǎn)單的，其格式如下：

? ?create_clock -name SysClk -period 10 -waveform {0 5} [get_ports Clk]

? ?create_clock是生成約束約束命令。

? ?name后面表示給這個(gè)時(shí)鐘命名，這里命名為SysClk，您可以命為其他您所想要的名字，即使跟代碼中的時(shí)鐘名不同，都是可以的。

? ?period后面表示約定該時(shí)鐘的周期，默認(rèn)單位為納秒。

? ?waveform后面表示該時(shí)鐘在一個(gè)周期內(nèi)的上升沿和下降沿時(shí)間點(diǎn)。{0 5}表示時(shí)鐘在第0時(shí)刻上升，在第5時(shí)鐘下降。通過(guò)這個(gè)，設(shè)置了時(shí)鐘的占空比。

? ?get_ports這里指定了約束的對(duì)象，即對(duì)應(yīng)代碼中的哪個(gè)信號(hào)，get_ports Clk，表示這個(gè)時(shí)鐘就是代碼或上圖中的Clk。

? 這個(gè)時(shí)鐘約束是最常用的，只要參照這種格式生成晚就可以了。

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? ?假設(shè)說(shuō)該時(shí)鐘輸入后經(jīng)過(guò)了一個(gè)內(nèi)部的PLL或者M(jìn)MCM(時(shí)鐘管理單元)后，再作為工作時(shí)鐘，此種情況下，仍然是要對(duì)Clk約束，其約束方法跟前面是一樣的。注意，這里說(shuō)的是約束上面的時(shí)鐘Clk，而不是MMCM的輸出時(shí)鐘。

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1.2 差分時(shí)鐘

差分時(shí)鐘是指通過(guò)管腳的P端和N端共同進(jìn)來(lái)的，通常應(yīng)該到高頻或者精度 很高的場(chǎng)合，例如明德?lián)P的MP802、MP5620，以及各種核心板，基本上外面都有差分晶振，有差分時(shí)鐘的輸入。

如果是差分時(shí)鐘，又是如何約束呢？

注意下，差分信號(hào)在芯片上，肯定是占用了兩個(gè)管腳位置，但在代碼中不一定。在XILINX的頂層接口代碼中，差分時(shí)鐘會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)接口信號(hào)，分別 P端和N端；而對(duì)于ALTERA，頂層接口信號(hào)只有一個(gè)，不用區(qū)分出P端和N端，在管腳定義時(shí)，再來(lái)區(qū)分出P和N。

對(duì)于ALTERA的差分時(shí)鐘約束，其與單端輸入約束方法完全一樣。

對(duì)于XILINX的差分時(shí)鐘約束，只需要約束P端就可以了，即：

create_clock -name SysClk -period 10 -waveform {0 5} [get_ports Clk_p]

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1.3 GT或恢復(fù)的時(shí)鐘

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第三種是GT或恢復(fù)的時(shí)鐘，即使用了高速收發(fā)器的情形，最常見(jiàn)的就是光纖接口了。

在高速收發(fā)器管腳中，是沒(méi)有時(shí)鐘的，時(shí)鐘已經(jīng)嵌入到數(shù)據(jù)里面。接收的時(shí)候，我們使用高速收發(fā)器如GTX、GTY IP核接收數(shù)據(jù)，并且從數(shù)據(jù)時(shí)提取出時(shí)鐘。這個(gè)恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘就是此種情形，例如上圖中的GT模塊，就是FPGA內(nèi)部使用的一個(gè)IP核，其輸出了時(shí)鐘TXCLK。

在這種情況下，我們需要約束這個(gè)恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘。按前面方式，同樣也是使用create_clock，定義時(shí)鐘周期、占空比等，但約束對(duì)象需要注意一下，不是通過(guò)get_ports，而是通過(guò)get_pins找到對(duì)象，該對(duì)象是恢復(fù)出的時(shí)鐘，如上圖中的GT/TXOUTCLK，即：

? ? create_clock -name txClk -period 6.667-waveform {0 5} [get_pins GT/TXOUTCLK]

? ?上面產(chǎn)生了一個(gè)名為txClk的約束，其對(duì)象為GT/TXOUTCLK，周期為6.667，即133M。

? ?對(duì)于get_ports和get_pins的區(qū)別，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為，get_ports是FPGA頂層的接口，該接口是要連到FPGA芯片管腳上的；get_pins是模塊內(nèi)的輸出管腳。如果大家不清楚是用哪個(gè)，可以使用工具，工具會(huì)提醒您怎么找出這個(gè)信號(hào)來(lái)的。

? ?注意上面找到的是GT/TXOUTCLK，而不是圖中的TXCLK。這是因?yàn)門XCLK是例化的信號(hào)，有時(shí)候是找不出來(lái)的。這個(gè)時(shí)候，需要設(shè)計(jì)者找到GT模塊，再仔細(xì)辨識(shí)出時(shí)鐘信號(hào)是哪個(gè)，非?？简?yàn)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。

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第2節(jié) PLL等衍生時(shí)鐘

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? ?上圖是時(shí)鐘Clk經(jīng)過(guò)內(nèi)部的MMCM時(shí)鐘管理單元，該時(shí)鐘管理單元在此基礎(chǔ)上倍頻或者分頻等，產(chǎn)生輸出時(shí)鐘CLKOUT0，該時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)REGA和REGB。在前面的介紹里，我們知道需要對(duì)Clk進(jìn)行約束，使用的是create_clock命令。那么上圖中的CLKOUT0要不要約束呢？

? ?對(duì)于PLL和MMCM，一般VIVIDAO、ISE和QUARTUS工具是可以推導(dǎo)出該時(shí)鐘約束的，因?yàn)槲覀冊(cè)谏蒊P核的時(shí)候，已經(jīng)設(shè)置了該時(shí)鐘的輸入和輸出 時(shí)鐘頻率、相位等信息，通過(guò)這些信息，工具就可以推導(dǎo)出時(shí)鐘約束。

? ?因此，對(duì)于XILINX可以不用約束PLL和MMCM產(chǎn)生的時(shí)鐘；對(duì)于ALTERA，也可以自動(dòng)推導(dǎo)的，但需要添加如下命令，才會(huì)自動(dòng)推導(dǎo)：

derive_pll_clocks

? ?雖然工具可以自動(dòng)推導(dǎo)PLL和MMCM產(chǎn)生的時(shí)鐘約束，但是其約束時(shí)鐘名是不受設(shè)計(jì)師控制或預(yù)見(jiàn)的。這會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題呢？

? ?我們產(chǎn)生時(shí)鐘約束后，通常還會(huì)在基于此時(shí)鐘產(chǎn)生其他約束，例如下面是input delay的約束：

set_input_delay -clock sysclk -max 4 [get_ports ain]

? ?上面是input delay的約束，對(duì)象是ain，但注意看，-clock后面的sysclk是時(shí)鐘約束產(chǎn)生的時(shí)鐘名（注意是約束名，不是代碼中的時(shí)鐘信號(hào)），這說(shuō)明input delay約束時(shí)，是依賴時(shí)鐘約束名的。

? ?如果由工具自動(dòng)推導(dǎo)PLL和MMCM產(chǎn)生時(shí)鐘約束，那么名字就不知道，或者雖然知道了，但可能稍微改下代碼名稱又變了。這樣會(huì)導(dǎo)致依賴于此名字的其他約束，會(huì)存在失效而不知道的風(fēng)險(xiǎn)。

? ?因此，明德?lián)P建議對(duì)PLL和MMCM產(chǎn)生時(shí)鐘添加約束，確定時(shí)鐘名。

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例如上面的電路，添加如下約束

create_clcok –name clk_200 –period 5 [get_ports Clk]

create_generated_clock ?-name my_clk [get_pins MMCM/CLKOUT0] \

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????-source [get_pins MMCM/CLKIN]\

?????????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????? -master_clock clk_200

首先通過(guò)create_clock命令對(duì)輸入管腳Clk約束，周期為5，命名為Clk_200。然后通過(guò)create_geneated_clock對(duì)MMCM產(chǎn)生的CLKOUT0約束，命名為my_clk；約束對(duì)象為MMCM/CLKOUT0；通過(guò)-source表明來(lái)源于MMCM/CLKIN，即MMCM的輸入管腳；通過(guò)-master_clock表明其主時(shí)鐘是clk_200。

通過(guò)上面方法，就可以確定MMCM的時(shí)鐘名，已經(jīng)固定為my_clk，不會(huì)再變了。前面提及的input delay約束，就會(huì)變?yōu)槿缦拢?/span>

set_input_delay -clock my_clk -max 4 [get_ports ain]

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第3節(jié) 自己分頻的時(shí)鐘

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第三種就是自己分頻的時(shí)鐘。如上圖所示，CLK1經(jīng)過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器，通過(guò)該觸發(fā)器二分頻產(chǎn)生了時(shí)鐘CLK2。

首先說(shuō)明，明德?lián)P不推薦使用此方法來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘，我們建議全部使用PLL等來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘。如果確實(shí)要用到分頻時(shí)鐘時(shí)，那就要記得做時(shí)鐘約束。這種情況下要怎么進(jìn)行約束呢？下面是推薦的約束方法。

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create_clcok –name CLK1 –period 5 [get_ports CKP1]

create_generated_clock ?-name CLK2 [get_pins REGA/Q] \

???????????????????????????????????????-source [get_ports CKP1] –divide_by 2

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首先通過(guò)create_clock產(chǎn)生對(duì)管腳CKP1的時(shí)鐘約束，周期定為5，名字為CLK1。

然后通過(guò)create_generated_clock產(chǎn)生二分頻后的時(shí)鐘約束，對(duì)象是REGA/Q，即D觸發(fā)器的輸出信號(hào)；然后要指示該時(shí)鐘來(lái)自于CKP1，通過(guò)-source來(lái)指定；最后還要說(shuō)明頻率，通過(guò)-divide_by來(lái)說(shuō)明幾分頻，-divide_by 2是表示二分頻，即CKP1時(shí)鐘的一半頻率。

注意的是，一定要通過(guò)-divide_by來(lái)指定頻率，因?yàn)楣ぞ邿o(wú)法從您的代碼中推導(dǎo)出頻率的。

強(qiáng)烈建議，分頻時(shí)鐘一定要約束，經(jīng)驗(yàn)之談，沒(méi)有約束的話，時(shí)鐘是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生莫名其妙的問(wèn)題的，這方面我們已經(jīng)吃過(guò)虧的。

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第4節(jié) 總結(jié)與建議

好了，我們?cè)谶@里再總結(jié)一下。

首先，本文將時(shí)鐘約束分了好幾種情況，制成了一個(gè)表。您可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)照步驟表，從而制定自己需要在我約束。

其次，注意一下約束的優(yōu)先級(jí)。

自定義約束覆蓋工具推導(dǎo)的約束。前面講過(guò)，有些約束工具是可以推導(dǎo)出來(lái)的。如果自己又定義了該對(duì)象的約束，那么這個(gè)約束將覆蓋工具推導(dǎo)出來(lái)的約束，即定義的約束有效，推導(dǎo)出來(lái)的約束無(wú)效。

后定義的約束覆蓋先定義的約束。例如，在開(kāi)始的時(shí)候定義了一個(gè)對(duì)CLK的約束，定義為100M，后面又有一個(gè)對(duì)CLK的約束，定義為200M，那么以哪個(gè)為準(zhǔn)呢？那就以后面的為準(zhǔn)，約束為200M。

但有時(shí)候需要對(duì)多個(gè)約束同時(shí)有效，即多個(gè)約束共存，那么可以在約束后面加上-add，以此表明不要覆蓋前面約束，而是共同有效。

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下一篇文章，我們將具體探討“input delays約束”的內(nèi)容，講解各種情況下的時(shí)序約束方法。需要更多更詳細(xì)的資料，可以找作者了解。
審核編輯：湯梓紅