XILINX之约束篇_xilinx物理位置约束

        本篇文章简单总结使用XILINX FPGA时常用的约束文件添加方式以及语法格式，分别以及ISE14.7以及VIVADO19.1为例，进行说明。

        需要注意的是，FPGA中的约束文件只能起到辅助作用，而设计才是保证功能的关键。以时序约束中的伪路径为例，电路设计中必须进行跨时钟域处理，保证电路功能的正确性，而伪路径约束只是告诉工具我们的意图，让工具在这条路径之间不做时序分析。但若跨时钟域处理不当，那么无论时序约束给的多么好，也无法将一个有问题的设计纠正。

1、ISE14.7如何生成约束文件

        在ISE中，约束文件的名字以.ucf的形式存在，ucf即user constraints files，可以通过两种方式生成，一种是通过ISE的图形化界面进行向导式生成，另一种则是直接通过文本编译的方式来生成。

1.1 使用图形化界面向导生成UCF文件

        对于新手来说，采用这种图形化界面生成约束文件会更容易理解和学习，但其相对比较好使。

        具体操作方法如下：

         以管脚约束为例，可以在ISE左侧界面中依次展开1并且选择2进入管脚约束界面，进入之后可以看到我们设计中顶层的信号，需要对这些信号选择合适的管脚以及电平，具体应该选择哪一个管脚需要根据自己的设计需要以及所使用FPGA芯片手册来选择，而对应的电平也应该与手册保持一致。生成后进行保存，工程路径下会多出一个.ucf的文件。

        打开文件会看到文件内容为端口相关的管脚约束，如：NET "reset"         LOC = D16;代表将reset信号连接到FPGA的D16引脚上。

1.2 使用文本编译的方式生成UCF文件

        虽说图形化界面非常直观和容易理解，但为了提升效率，大多数情况下我们使用文本编译的方式进行UCF文件生成。

        操作方法如下：

        右击空白处1，然后选择2新生成一个源文件。         然后选择3，生成一个UCF文件，然后打开它，然后我们通过文本编译的方式，通过语法来完成管脚约束以及时序约束。这里有一个技巧，就是可以复制之前工程的UCF文件，然后修改它，进行新的设计的约束。具体语法的含义在下节介绍。

1.3 UCF文件的语法格式和含义

1.3.1 语法

{NET|INST|PIN} "signal_name" Attribute;

        “signal_name”是指所约束对象的名字，包含了对象所在层次的描述；“Attribute”为约束的具体描述；语句必须以分号“；”结束。可以用“#”或“/* */”添加注释。需要注意的是：UCF文件是大小写敏感的，信号名必须和设计中保持大小写一致，但约束的关键字可以是大写、小写甚至大小写混合。

1.3.2 通配符

        在UCF文件中，通配符指的是“*”和“?”。“*”可以代表任何字符串以及空，“?”则代表一个字符。在编辑约束文件时，使用通配符可以快速选择一组信号，当然这些信号都要包含部分共有的字符串。例如：NET "*CLK?" FAST;  #作用：将包含“CLK”字符并以一个字符结尾的所有信号，并提高了其速率。在位置约束中，可以在行号和列号中使用通配符。例如：INST "/CLK_logic/*" LOC = CLB_r*c7;  #作用：把CLK_logic层次中所有的实例放在第7列的CLB中。

1.3.3 定义设计层次   

        在UCF文件中，通过通配符*可以指定信号的设计层次。其语法规则为：" * " 遍历所有层次

Level1/*    遍历level1及以下层次中的模块;Level1/*/   遍历level1种的模块，但不遍历更低层的模块。

1.3.4 引脚和区域约束语法

        LOC约束是FPGA设计中最基本的布局约束和综合约束，能够定义基本设计单元在FPGA芯片中的位置，可实现绝对定位、范围定位以及区域定位。此外， LOC还能将一组基本单元约束在特定区域之中。LOC语句既可以书写在约束文件中，也可以直接添加到设计文件中。换句话说，ISE中的FPGA底层工具编辑器（FPGA Editor）、布局规划器（Floorplanner）和引脚和区域约束编辑器的主要功能都可以通过LOC语句完成。

（1）LOC语句语法

基本的LOC语法如下：

INST "instance_name " LOC = location;

其中“location”可以是FPGA芯片中任一或多个合法位置。如果为多个定位，需要用逗号“,”隔开，如下所示：

LOC = location1,location2,...,locationx;

        目前，还不支持将多个逻辑置于同一位置以及将多个逻辑至于多个位置上。需要说明的是，多位置约束并不是将设计定位到所有的位置上，而是在布局布线过程中，布局器任意挑选其中的一个作为最终的布局位置。

范围定位的语法为：

INST “instance_name” LOC=location:location [SOFT];

常用的LOC定位语句如下表所示。

使用LOC完成端口定义时，其语法如下：

NET "Top_Module_PORT" LOC = "Chip_Port";

其中，“Top_Module_PORT”为用户设计中顶层模块的信号端口，“Chip_Port”为FPGA芯片的管脚名。

LOC语句中是存在优先级的，当同时指定LOC端口和其端口连线时，对其连线约束的优先级是最高的。例如，在下图中，LOC=11的优先级高于LOC=38。

LOC优先级示意图

（2）LOC属性说明

LOC语句通过加载不同的属性可以约束管脚位置、CLB、Slice、TBUF、块RAM、硬核乘法器、全局时钟、数字锁相环（DLL）以及DCM模块等资源，基本涵盖了FPGA芯片中所有类型的资源。由此可见，LOC语句功能十分强大，下表列出了LOC的常用属性。

2、在VIVADO中生成约束文件

        与ISE相似，VIVADO也可以通过图形化界面和文本编译两种方式完成约束文件的生成，但在VIVDAO中，我们把约束文件称为XDC文件。

2.1 图形化界面生成XDC

        可以通过PROJECT MANAGER的Open Elaborated Design或Open Synthesis Design来打开综合前设计或综合后设计。如下图中1和2处所示。

打开后在右上角选择I/O planning进行管脚约束。 

        在3处选择I/O Planning，在会打开上图所示界面，在4处选择相应的管脚和电平即可，选择完记得保存。

2.2 使用文本编译的方式生成XDC文件

        如上图所示，依次点击1和2，选择创建 一个约束文件，打开后可以根据自己的需求，进行管脚约束或时序约束。常用的语法和功能由下节介绍。

2.3 XDC文件中的常用语法和功能

2.3.1 管脚约束

##将led1信号放在芯片的W13引脚
set_property PACKAGE_PIN W13       [get_port led1]
 
##将led1所在引脚的电气标准设置为LVCMOS33
set_property IOSTANDARD LVCMOS33      [get_ports led1]
 
##将led1引脚上拉电阻约束为有效
set_property  PULLUP  true   [get_ports led1]
 
##将led1引脚下拉电阻约束为有效
set_property PULLDOWN true   [get_ports led1]
 
##IO的驱动能力不够导致线上的电平不能马上到达期望的波形，从而产生抖动。提高电源及时供给能力可以采用在##芯片电源引脚周围加入较大电容储能。默认驱动能力为12mA。驱动能力有< 2 4 6 8 12 16 24 >mA(如果驱动##不上看共地有没有问题)。将led1所在管脚驱动能力设置为16mA：
set_property DRIVE 16 [get_ports led1]
 
##输出（双向）引脚转换速率slew rate可以设置为快fast和慢slow。默认为slow。
##将led1所在输出引脚转换速率设置为快：
set_property SLEW FAST [get_ports  led1]
 
##高速收发器通道位置约束
set_property LOC GTXE2_CHANNEL_X0Y8 [get_cells  例化路径/gtx_support_i/gtx_init_i/inst/gtx_i/gt0_gtx_i/gtxe2_i]
 
##输入输出模块IOB的约束。（如果在FF输出Q除了到OBUF连线输出外还有其他连接，就无法实现IOB寄存器的布##局，只能用CLB中的寄存器。需要将该信号再按时钟打一拍再单独输出。）
set_property IOB TRUE [get_ports  led1]
# led1 输出使用IOB
set_property IOB TRUE [all_inputs]
# 所有输入使用IOB
 
 
##PCIE等、使用GT接口的链路时延需要配置链路参数
# up_pcie_drive
set_property TX_RXDETECT_REF 3'b001 [get_cells {例化路径/inst/gt_top_i/pipe_wrapper_i/pipe_lane[0].gt_wrapper_i/gtx_channel.gtx_channel.gtxe2_channel_i}]
set_property  TX_MARGIN_FULL_0 7'b1001010 [get_cells {例化路径/inst/gt_top_i/pipe_wrapper_i/pipe_lane[0].gt_wrapper_i/gtx_channel.gtx_channel.gtxe2_channel_i}]
 
 
 

 2.3.2 时序约束

##外部输入时钟clk_in周期为10ns，占空比为25%，相移为90°约束形式为
create_clock -name clk_in -period 10 -waveform{2.5 5} [get_ports clk_in]
# {2.5 5} 表示一个周期的波形中2.5ns - 5ns 为高。如果没有指定waveform默认为{0，period/2}为高
 
##时钟clk_2由时钟clk_in衍生，clk_2频率为clk_in的频率除以2，clk_2表示modu_2模块的clk_out
create_generated_clock -name clk_2 -source [get_port clk_in] -divide_by 2 [get_pins modu_2/clk_out]
# clk_in 0011001100110011001100
# clk_2  0011110000111100001111
 
##时钟clk_3由时钟clk_in衍生，clk_3表示modu_3模块的clk_out
create_generated_clock -name clk_3 -source [get_ports clk_in] -edges {1 3 5}[get_pins top/modu_3/clk_out]
# edges{1 3 5}表示从上升沿开始算起，在clk_in的第1、3、5时钟沿clk_3时钟沿变化。
# clk_in 001110011100111001110011100
# clk_3  001111100000111110000011111
 
##设置clock group来确认各个时钟之间的关系。两个主时钟 clkin_1 和 clkin_2 进入 FPGA由不同的时钟网##络传递，这两个时钟及他们的衍生时钟是一组异步时钟
set_clock_groups -name async_clk -asynchronous \
 -group [get_clocks -include_generated_clocks clkin_1] \
 -group [get_clocks -include_generated_clocks clkin_2]
 # -asynchronous 表示异步
 # -include_generated_clocks  表示包括衍生时钟
 
##有时同一模块在不同模式需要不同时钟来驱动。例如bufgctrl_i/O可由bufgctrl_i/I0和bufgctrl_i/I1衍##生
create_generated_clock -name clk125_bufgctrl \
 -divide_by 1 [get_pins bufgctrl_i/O] \ 
 -source [get_ports bufgctrl_i/I0] 
create_generated_clock -name clk250_bufgctrl \ 
 -divide_by 1 [get_pins bufgctrl_i/O] \ 
 -source [get_ports bufgctrl_i/I1] \ 
 -add -master_clock clk125_bufgctrl 
# -add -master_clock表示添加时钟，否则是直接覆盖。
set_clock_groups –physically_exclusive \
 –group clk125_bufgctrl \
 –group clk250_bufgctrl
# -physically_exclusive 表示时钟物理意义上不会同时存在，如果为-logically_exclusive则是逻辑上独立。

2.3.3 其他补充

1.Vivado按照行序从上往下在约束文件中读取XDC的tcl指令，越后面的指令优先级越高，但描述越精确的指令优先级越高（与指令顺序无关）。相同目标属性的约束会向前覆盖。 因为synthesis and implementation algorithms are timing-driven一般把时钟约束放在前面物理位置约束放在后面。物理约束只在implementation时布局器与布线器会使用。

2.一个Vivado工程中可以添加多个XDC文件，XDC文件也是有先后顺序的，可以在界面用鼠标拖拽来调整XDC文件的顺序。工程较大时一般把时钟约束和物理约束放到不同的文件当中，不同IP不同组放到不同文件。VIVADO也可以支持多组XDC文件集合，但是只有1个集合起作用（active）。如果我们一次create多个synthesis或者implementation，我们还可以为它们每一个分别制定一个约束文件。

3.每个XDC约束指令最好单独地完整地写一行（单个命令编写换行时行末加上"\" . "\"后不能有空格）。 注释以“#”开头且与指令不写在同一行。否则指令可能会解析错误。
4.可通过下图所示，获取VIVADO工具给出的时序约束模版。