FPGA时序约束经历之输出延时约束(set_output_delay)_fpga输出线延时

近期在进行emmc数据读写程序调试时，逼迫自己从一个时序小白跨进了时序约束的大门，这里记录一下供大家学习参考。

需求

emmc hs200模式下，允许最高时钟频率为200M。其中emmc和FPGA之间的引脚有单向EMMC_CLK，双向CMD和DATA[7:0]。根据emmc手册，要求建立时间为1.4ns，保持时间为0.8ns。EMMC_CLK是FPGA提供给emmc的，因此要求发送命令或数据时，CLK和CMD到达emmc芯片时要满足手册要求的建立和保持时间。

添加约束

要使输出的CLK和CMD满足emmc的建立保持时间，就需要告诉FPGA编译器，输出的延迟有多少。因此分两步：

第一步：添加时钟约束。

我用的是xilinx ，vivado软件，可以手写xdc约束文件，也可采用GUI界面，网上搜索如何进行约束，都是教的用手写，但遗憾的是，很多文章都是各种抄袭或者写得笼统粗略，对一个新手来说属实很难受（因为总出现语法错误还不知道原因）。因此这里推荐新手采用GUI添加约束，然后软件自动写到xdc文件，自己再去看，等熟练之后再进行手写。
点击implementation下的Edit Timing Constraints即添加约束


如图所示，可以添加时钟约束，输入输出约束等。
这里，我的时钟是锁相环锁出来的，然后连接到输出端口EMMC_CLK，因此属于衍生时钟，要用create generated clock（锁相环锁出来的或者自己写个分频代码分出来的都属于衍生时钟）。

第二步：添加输出延时。

添加好时钟后，就要添加我的CMD或者DATA相当于EMMC_CLK的输出延迟了，输出延迟的计算网上一搜一大堆，就不讲了，考虑PCB板级的走线延迟若为t，那么输出延迟设置的值max应为t+1.4，min值应为t-0.8，也就是输出延迟最大值应该是走线延迟加下级芯片的建立时间，最小值是走线延迟减去下级芯片的保持时间。
约束后的结果是

create_generated_clock -name CLK100M -source [get_pins pll/clk_in1] -multiply_by 1 -add -master_clock sys_clk [get_pins pll/clk_out2]
create_generated_clock -name emmc_clk -source [get_pins pll/clk_out2] -multiply_by 1 -add -master_clock CLK100M [get_ports emmc_clk]
set_output_delay -clock [get_clocks emmc_clk] -max -add_delay 1.600 [get_ports -filter { NAME =~  "*emmc*" && DIRECTION == "INOUT" }]
set_output_delay -clock [get_clocks emmc_clk] -min -add_delay -1.000 [get_ports -filter { NAME =~  "*emmc*" && DIRECTION == "INOUT" }]
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我这里是由于不知道板级延时是多少，因此自己给多加的一点裕量。

现象

这里我用时序报告来给大家讲现象，至于时序报告怎么看，我认为这篇文章讲得很到位，我也是看这篇文章看懂的。
Vivado下如何阅读时序报告-知乎
我添加约束后有一个时序违例，报告建立时间裕度为负，也就是WNS为负，来看看报告。
先看保持时间




这里，保持时间的目标时钟Required Time 为10.223ns，vivado为了满足保持时间，让数据（Data Path）走了一个最小延迟为7.791ns的路径。
再看建立时间。



在建立时间中，Data Path数据路径是按最大值计算，这里由于保持时间中已经把路径定了，这里的数据路径延时就是16.115ns，但这直接导致了建立时间不满足时序了，也就是WNS为负。
我们来看布线图

途中就是这一条路径的走线，数据寄存器的起点和终点实际都在左上角，却在途中走了一个大圈。这里我在网上看到一个说法，无法求证，说vivado在编译的时候就是优先保证满足保持时间，再来满足建立时间。这个说法在这次实例中我认为得到了证明，这也就是平常WNS为负的情况比WHS为负的情况多的原因，也可以解释平常的WHS总是很小的现象。

时序优化

在这次实例中，我经过分析，我认为时序违例的原因是在计算保持时间裕度时，目的时钟的走线是按最大延迟计算，而这里我用了一个问号冒号语句来切换时钟，导致目的时钟算出来的最大延迟较大，所以数据路径被迫去绕一大圈来满足保持时间。而计算建立时间裕度时，目的时钟走线按最小延迟计算，我估计问号冒号语句时钟切换导致其最大延迟和最小延迟相差太大，因此采用了一个时钟切换小模块，不会产生毛刺的那种，替换了问号冒号。尔后这个问题就解决了。

总结

我认为分析时序违例，就得去看他违例的走线路径是怎么走的，然后分析导致裕度为负他的主要原因可能是哪里。然后再尝试更改设计。我是一个时序约束入门小白，若有理解不对，请大家留言指正，欢迎大家一起探讨。