設(shè)計(jì)約束概述

設(shè)計(jì)約束就是定義編譯過(guò)程中必須滿足的需求，只有這樣才能保證在板子上工作時(shí)功能正確；但不是全部約束在所有過(guò)程中都會(huì)使用，比如物理約束只用在布局和布線過(guò)程中；Vivado工具的綜合和實(shí)現(xiàn)算法是時(shí)序驅(qū)動(dòng)型的，因此必須創(chuàng)建合適的時(shí)序約束；我們必須根據(jù)應(yīng)用需求選擇合理的約束，過(guò)度約束或約束不足都會(huì)造成問(wèn)題；

老版的ISE開發(fā)工具使用UCF（User Constraints File）文件進(jìn)行約束；新的Vivado開發(fā)工具使用XDC（Xilinx Design Constraints）進(jìn)行約束；在描述設(shè)計(jì)約束方面，標(biāo)準(zhǔn)SDC（Synopsys Design Constraints）格式已經(jīng)發(fā)展超過(guò)了20年，且應(yīng)用最為廣泛，XDC約束正是基于SDC格式，再加入Xilinx的一些物理約束；

XDC約束可以用一個(gè)或多個(gè)XDC文件，也可以用Tcl腳本實(shí)現(xiàn)；XDC文件或Tcl腳本都要加入到工程的某個(gè)約束集（set）中；雖然一個(gè)約束集可以同時(shí)添加兩種類型約束，但是Tcl腳本不受Vivado工具管理，因此無(wú)法修改其中的約束；

管理約束

Vivado支持使用一個(gè)或多個(gè)約束文件，對(duì)于大型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅使用一個(gè)約束文件往往不便于維護(hù)；最好的做法是將時(shí)序約束和物理約束分別保存到不同的文件中，或者某些特定模塊使用一個(gè)單獨(dú)的約束文件 ；

約束文件（XDC文件或Tcl腳本）需要添加到約束集中，一個(gè)工程可以包含多個(gè)約束集，一個(gè)文件也可以添加到多個(gè)約束集中；下圖顯示了一個(gè)工程中的約束集，該約束集包括兩個(gè)約束文件，分別為物理約束和時(shí)序約束：

另外注意，生成IP核時(shí)，IP核的約束文件不會(huì)顯示在上圖列表中，只會(huì)顯示在IP Sources窗口中；

默認(rèn)情況下，所有的XDC約束文件會(huì)同時(shí)應(yīng)用于綜合和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中。在XDC文件的屬性窗口中修改如下圖中選項(xiàng)，可以選擇XDC文件的使用階段，對(duì)應(yīng)的屬性為USED_IN_SYNTHESIS和USED_IN_IMPLEMENTATION：

但是DONT_TOUCH屬性不受上述設(shè)置的限制，比如在綜合XDC中使用了DONT_TOUCH屬性，即使Used In沒(méi)有選中Implementation，該屬性仍會(huì)傳遞到實(shí)現(xiàn)過(guò)程中 ；

排列約束的順序

XDC約束會(huì)遵循一套優(yōu)先級(jí)規(guī)則，按順序應(yīng)用于設(shè)計(jì)中；當(dāng)多個(gè)物理約束之間產(chǎn)生矛盾時(shí)，順序靠后的約束會(huì)覆蓋之前的約束；比如一個(gè)I/O端口前后綁定了兩個(gè)管腳位置，則順序上靠后的約束會(huì)起作用；推薦的約束順序如下：

時(shí)序聲明部分：主時(shí)鐘、虛擬時(shí)鐘、生成的時(shí)鐘、時(shí)鐘組、總線斜率約束、輸入與輸出延遲約束。

時(shí)序異常部分：虛假路徑、最大延遲/最小延遲、多時(shí)鐘路徑、個(gè)例分析、屏蔽的時(shí)序。

物理約束部分：可以放在時(shí)序約束之前或之后，最好存儲(chǔ)在一個(gè)單獨(dú)的約束文件中

約束應(yīng)該以時(shí)鐘定義開始，因?yàn)闀r(shí)鐘必須在被其它約束引用之前定義好；如果在定義之前便引用了時(shí)鐘，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生，該約束將被忽略掉；約束文件的順序相當(dāng)重要，設(shè)計(jì)者應(yīng)該確保每一個(gè)文件中的約束不依賴于其它文件中的約束；如果這種情況發(fā)生，應(yīng)該考慮合并兩個(gè)文件，或者按照更合理地方式重新組織約束文件；

所有新的約束都會(huì)保存到標(biāo)記為target的XDC文件的末尾；如果約束集中有多個(gè)XDC文件，大多數(shù)情況下target文件不是最后一個(gè)XDC文件，這就導(dǎo)致保存到磁盤上的約束順序和內(nèi)存中的約束順序并不相同（內(nèi)存中執(zhí)行相當(dāng)于在最后插入一個(gè)新約束，而存儲(chǔ)到磁盤中確是在中間插入了一個(gè)新約束），因此設(shè)計(jì)者需要驗(yàn)證最終存儲(chǔ)的約束順序可以正確工作；

一般來(lái)說(shuō)，在不包含IP核的工程中，所有的約束被放在一個(gè)約束集中，約束的排列順序表明了約束的讀取順序，排在最前面的約束最先被讀取，可以通過(guò)上下移動(dòng)約束文件來(lái)改變約束讀取的順序，如下圖所示：

許多IP核會(huì)自帶一個(gè)或多個(gè)XDC文件，如下圖所示：

默認(rèn)情況下，IP核的XDC文件在用戶編寫的XDC文件之前讀取，在該情況下允許IP核創(chuàng)建一個(gè)參考時(shí)鐘，同時(shí)也允許用戶XDC文件覆蓋IP核的物理約束；但是也有例外，如IP核需要用到用戶定義的時(shí)鐘時(shí)，此時(shí)IP核的XDC文件在用戶XDC文件之后讀取！

每個(gè)約束文件都有PROCESSING_ORDER屬性，屬性值可以是：EARLY，必須首先被讀取；NORMAL，默認(rèn)；LATE：必須最后被讀取；

注意IP核的XDC文件只會(huì)是early或者late，而不會(huì)是normal!對(duì)于包含依賴時(shí)鐘的IP核，XDC文件的讀取順序?qū)傩栽O(shè)置為late；對(duì)于不包含依賴時(shí)鐘的IP核，XDC文件的讀取順序設(shè)置為early；同時(shí)，對(duì)于多個(gè)IP核的XDC文件，如果他們有相同的PROCESSING_ORDER屬性，則讀取順序由IP核的導(dǎo)入順序決定，一般無(wú)法更改！

下面對(duì)XDC文件的讀取順序做一個(gè)總結(jié)，從上到下的讀取順序：

1.用戶XDC文件，標(biāo)記為early;

2.IP核XDC文件，標(biāo)記為early;

3.普通的用戶XDC文件(normal)；

4.IP核XDC文件，標(biāo)記為late(對(duì)用戶時(shí)鐘存在依賴);

5.用戶XDC文件，標(biāo)記為late;

屬性值為L(zhǎng)ATE的IP核XDC文件名稱為_clocks.xdc；在Tcl控制臺(tái)中使用report_compile_order -constraints命令可以報(bào)告所有約束文件的狀態(tài)，其中就包括PROCESSING_ORDER屬性;

約束方法

完成約束有兩種方法：（1）.直接編輯XDC文件；（2）.打開某一階段的設(shè)計(jì)，Elaborated設(shè)計(jì)、綜合后設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)后設(shè)計(jì)，直接對(duì)某對(duì)象進(jìn)行約束；采用第2種方法，在編輯約束時(shí)，Tcl控制臺(tái)中會(huì)顯示等價(jià)的XDC命令，該命令是存儲(chǔ)在內(nèi)存中的，在綜合或?qū)崿F(xiàn)前，必須點(diǎn)擊Save Constraints保存約束；如果是新的約束，則會(huì)添加到標(biāo)記為target的約束文件中；如果是對(duì)已存在的約束進(jìn)行修改，則會(huì)修改XDC文件中原來(lái)位置的命令；

上述兩種約束方法最好不要同時(shí)使用，否則容易混淆導(dǎo)致約束沒(méi)有起作用；如果需要在兩種約束方法之間切換，要確保保存了當(dāng)前約束，或者重新導(dǎo)入一下設(shè)計(jì)，下圖給出了約束的流程圖：

管腳賦值與平面規(guī)劃

本節(jié)介紹兩種使用GUI完成約束的方法。第一種是創(chuàng)建與編輯頂層端口位置，即通常所說(shuō)的管腳賦值（Pin Assignment）；打開某一階段設(shè)計(jì)后，將視圖切換為“I/O Planning”，如下圖：

切換到該視圖后會(huì)自動(dòng)打開如下4個(gè)窗口：

Device：編輯端口在器件平面規(guī)劃圖中的位置；

Package：編輯端口在器件封裝中的位置；

I/O Ports：可以選擇一個(gè)端口，拖動(dòng)到Package或Device窗口中的某個(gè)位置，也可以觀察每個(gè)端口的各個(gè)屬性；

Package Pins：觀察每個(gè)I/O Bank的資源利用率；

另一種是平面規(guī)劃（Floorplanning），主要是創(chuàng)建和編輯Pblock來(lái)限制某些對(duì)象的布局范圍；打開某一階段設(shè)計(jì)后，將視圖切換為“Floorplanning”，如上圖；切換到該視圖后會(huì)自動(dòng)打開如下3個(gè)窗口：

Netlist：選擇賦值到某個(gè)Pblock的單元對(duì)象；

Physical Constraints：觀察設(shè)計(jì)中的Pblock和各自的屬性；

Device：創(chuàng)建或編輯Pblock在器件中的形狀和位置；

在Netlist窗口中選擇某些單元，將其拖動(dòng)到Device窗口的目標(biāo)位置中，即可將單元位置約束到某一特定的BEL或SITE。這兩個(gè)部分都可以稱作“物理約束”，另外還有“時(shí)序約束”，需要借助時(shí)序約束向?qū)В?/p>

XDC模板

vivado為verilog和XDC文件提供了大量的語(yǔ)言模板，如下圖所示：

XDC模板主要分為三大類，如下圖所示：時(shí)序約束；物理約束；配置

創(chuàng)建綜合約束

Vivado綜合引擎將設(shè)計(jì)的RTL描述轉(zhuǎn)換為一個(gè)工藝映射網(wǎng)表，在這個(gè)階段可以使用約束來(lái)指導(dǎo)綜合引擎解決設(shè)計(jì)需求。涉及到的約束包括4個(gè)方面：

RTL屬性：綜合屬性在綜合篇中有詳細(xì)介紹，這些約束通常與某些邏輯部分的映射方式直接相關(guān)，比如保留特定的寄存器和網(wǎng)絡(luò)防止被優(yōu)化、控制最終網(wǎng)表中的設(shè)計(jì)層次等等；

時(shí)序約束：可以在該階段起作用的時(shí)序約束有create_clock、create_generated_clock、set_input_delay、set_output_delay、set_clock_groups、set_false_path、set_max_delay和set_multicyclye_path；

物理與配置約束：這部分約束不會(huì)作用于該階段，因此會(huì)被綜合引擎忽略；

Elaborated設(shè)計(jì)約束：在綜合階段，網(wǎng)絡(luò)延遲模型還不精確，因此主要目標(biāo)是得到一個(gè)滿足時(shí)序或時(shí)序違背程度較小的綜合網(wǎng)表，可以對(duì)Elaborated設(shè)計(jì)分析RTL設(shè)計(jì)得到的對(duì)象進(jìn)行約束；可以利用Tcl控制臺(tái)來(lái)測(cè)試想要執(zhí)行的XDC命令是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤，再保存到XDC文件中；

一些RTL名稱在Elaborated設(shè)計(jì)中會(huì)被修改或刪除，因此不能直接使用RTL設(shè)計(jì)中的對(duì)象名稱；部分對(duì)象如頂層端口、實(shí)例化原語(yǔ)在RTL和Elaborated設(shè)計(jì)中總是相同的，下面給出一些名稱會(huì)發(fā)生變化的例子，需要特別注意：

單bit寄存器：RTL中的信號(hào)名稱添加后綴_reg，如RTL中定義reg data，則對(duì)應(yīng)的寄存器名稱為data_reg；

多bit寄存器：與單bit寄存器相同，但約束時(shí)必須單獨(dú)約束每個(gè)bit或直接當(dāng)作一組約束，如定義reg [3:0] data，可以對(duì)reg[0]或reg[*]約束，但不能對(duì)reg[1:0]約束；

合并的寄存器和網(wǎng)絡(luò)：存儲(chǔ)塊、DSP、移位寄存器等接口會(huì)將幾個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象合并到一個(gè)資源中，導(dǎo)致RTL源文件中的一些寄存器或網(wǎng)絡(luò)不會(huì)出現(xiàn)在Elaboratd設(shè)計(jì)中，對(duì)于這類對(duì)象，無(wú)法直接約束，應(yīng)該尋找與其相連的其它寄存器或網(wǎng)絡(luò)；

層次名稱：默認(rèn)情況下，綜合可能會(huì)將某些層次結(jié)構(gòu)展開，融為一體（可以用-flatten_hierarchy設(shè)置），約束時(shí)要使用完整的層次名稱來(lái)指定對(duì)象，而不要使用通配符‘*’，如‘inst_A/inst_B/data_reg’；

總而言之，就是要明確約束的對(duì)象，否則很容易造成約束沒(méi)有按設(shè)計(jì)者意圖進(jìn)行；比如不要對(duì)層次接口的管腳做約束，因?yàn)檫@些管腳僅僅起到了連接各個(gè)層次的作用；也不要對(duì)與組合邏輯運(yùn)算符相連的網(wǎng)絡(luò)做約束，因?yàn)榻M合邏輯運(yùn)算會(huì)采用查找表方式實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)并不會(huì)出現(xiàn)在綜合網(wǎng)表中 ；

創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)約束

綜合過(guò)后，將綜合網(wǎng)表和XDC文件（或Tcl腳本）一同導(dǎo)入到內(nèi)存中，用于實(shí)現(xiàn)過(guò)程；導(dǎo)入時(shí)必須觀察Vivado報(bào)告的消息，據(jù)此來(lái)驗(yàn)證和修改那些沒(méi)有應(yīng)用成功的約束；正如綜合約束使用的Elaborated設(shè)計(jì)對(duì)象名稱會(huì)和RTL中名稱不同，實(shí)現(xiàn)約束使用的綜合網(wǎng)表對(duì)象名稱也可能會(huì)和Elaborated設(shè)計(jì)中的名稱不同；如果發(fā)生上述情況，則必須重新創(chuàng)建某些約束，并僅作用于實(shí)現(xiàn)階段；

前文也說(shuō)過(guò)物理和配置約束僅會(huì)在實(shí)現(xiàn)階段起作用，因此也最好存儲(chǔ)到一個(gè)單獨(dú)的XDC文件中，設(shè)置為僅作用于實(shí)現(xiàn)階段。綜合過(guò)程中可能會(huì)復(fù)制某些寄存器，以提高設(shè)計(jì)性能，必須使用get_cells/get_pins -include_replicated_objects命令獲取對(duì)象，才能確保XDC約束也作用于復(fù)制出來(lái)的寄存器；當(dāng)然很難直接感覺(jué)到哪個(gè)對(duì)象需要像上述這樣做，幸好在Vivado中運(yùn)行Methodology檢查時(shí)，相關(guān)信息會(huì)報(bào)告在XDCV-1和XDCV-2檢查信息中，供設(shè)計(jì)者參考；

約束作用域

一個(gè)特定的XDC文件中的約束可以選擇僅作用于一個(gè)特定的模塊，或設(shè)計(jì)中的特定單元，這種約束方式可稱作塊級(jí)約束；實(shí)現(xiàn)機(jī)制稱作約束作用域機(jī)制；默認(rèn)情況下，IP Catalog中導(dǎo)出的所有IP核都采用這種約束方式；該機(jī)制通過(guò)設(shè)置XDC文件的兩個(gè)屬性實(shí)現(xiàn)：

SCOPED_TO_REF：設(shè)置模塊名稱，約束僅應(yīng)用于設(shè)定模塊中的所有實(shí)例；

SCOPED_TO_CELLS：給出應(yīng)用約束的層次單元名稱列表；

導(dǎo)出IP核時(shí)，輸出的XDC文件會(huì)自動(dòng)完成上述兩個(gè)屬性的設(shè)置。如果設(shè)計(jì)中需要為某個(gè)子模塊進(jìn)行單獨(dú)約束，也可以通過(guò)手動(dòng)設(shè)置上述兩個(gè)屬性實(shí)現(xiàn)；

約束效率

編寫時(shí)序約束時(shí)，首要目標(biāo)是讓約束變得簡(jiǎn)單，僅為相關(guān)的網(wǎng)表對(duì)象設(shè)置約束，即為約束提供盡可能少的作用對(duì)象，以便精確并安全地覆蓋到預(yù)期的時(shí)序路徑；沒(méi)有效率地約束會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間、更大的內(nèi)存占用率，最壞的情況是覆蓋到比預(yù)期更多的路徑從而與其它約束產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)時(shí)序異常 ；

Vivado中Methodology檢查的XDCB-1會(huì)報(bào)告涉及到超過(guò)1000個(gè)對(duì)象的時(shí)序約束，以防止出現(xiàn)時(shí)序異常情況。此外，還可以打開某一階段設(shè)計(jì)后，使用如下命令查看相關(guān)報(bào)告：

report_exceptions -coverage：給出每個(gè)時(shí)序異常的邏輯路徑范圍，將該時(shí)序異常作用的對(duì)象數(shù)量，與起點(diǎn)到端點(diǎn)間以有效的方式覆蓋的對(duì)象數(shù)目作比較；

report_exceptions -ignored：給出被其它時(shí)序約束覆蓋掉的時(shí)序約束，如set_false_path會(huì)被set_clock_group覆蓋而不起作用。應(yīng)考慮修改約束或刪掉不起作用的約束；

report_exceptions -ignored_objects：給出被忽略的起點(diǎn)與斷點(diǎn)列表，如起點(diǎn)和斷點(diǎn)之間不存在設(shè)定的路徑，就會(huì)導(dǎo)致被忽略；

下面給出幾種改善約束運(yùn)行時(shí)間的方法：

1.優(yōu)化管腳查詢方式

使用get_pins代替get_cells會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)間有明顯的影響。如果需要從設(shè)計(jì)的所有管腳中查找一個(gè)管腳列表，不要直接根據(jù)管腳名字查詢，最好是先用get_cells定位管腳所在的單元，再?gòu)脑搯卧胁檎夜苣_，示例如下：

get_pins –hier * -filter {NAME=~xx*/yy*} //不推薦的方式

get_pins –filter {REF_PIN_NAME=~yy*} –of [get_cells –hier xx*] //最佳方式

2.不要使用all_registers查詢

盡可能地將對(duì)all_registers的查詢代替為對(duì)cells、pins的查詢，因?yàn)槭褂胊ll_registers會(huì)在大量對(duì)象中進(jìn)行搜索，示例如下：

set_multicycle_path –from [all_inputs] –to [all_registers –clock clk1]

set_multicycle_path –from [all_inputs] –to [get_clocks clk1]

這兩條約束是等價(jià)的，但第二種方式的效率比第一種要高很多；

審核編輯 ：李倩