【Vivado使用误区与进阶】XDC约束技巧——时钟篇

Xilinx 的新一代设计套件Vivado中引入了全新的约束文件XDC，在很多规则和技巧上都跟上一代产品ISE中支持的UCF大不相同，给使用者带来许多额外挑战。Xilinx工具专家告诉你，其实用好XDC很容易，只需掌握几点核心技巧，并且时刻牢记：XDC的语法其实就是Tcl语言。

XDC的优势

XDC是Xilinx Design Constraints的简写，但其基础语法来源于业界统一的约束规范SDC（最早由Synopsys公司提出，故名Synopsys Design Constraints）。所以SDC、XDC跟Vivado Tcl的关系如下图所示。

XDC的主要优势包括： 统一了前后端约束格式，便于管理；  可以像命令一样实时录入并执行；  允许增量设置约束，加速调试效率；  覆盖率高，可扩展性好，效率高；  业界统一，兼容性好，可移植性强；

        XDC在本质上就是Tcl语言，但其仅支持基本的Tcl语法如变量、列表和运算符等等，对其它复杂的循环以及文件I/O等语法可以通过在Vivado中source一个Tcl文件的方式来补充。（对Tcl话题感兴趣的读者可以参考作者的另一篇文章《Tcl在Vivado中的应用》）

XDC与UCF的最主要区别有两点：

1. XDC可以像UCF一样作为一个整体文件被工具读入，也可以在实现过程中被当作一个个单独的命令直接执行。这就决定了XDC也具有Tcl命令的特点，即后面输入的约束在有冲突的情况下会覆盖之前输入的约束（时序例外的优先级会在下节详述）。另外，不同于UCF是全部读入再处理的方式，在XDC中，约束是读一条执行一条，所以先后顺序很重要，例如要设置IO约束之前，相对应的clock一定要先创建好。
2. UCF是完全以FPGA的视角看问题，所以缺省认为所有的时钟之间除非预先声明是同步的，否则就视作异步而不做跨时钟域时序分析；XDC则恰恰相反，ASIC世界的血缘背景决定了在其中，所有的时钟缺省视作全同步，在没有时序例外的情况下，工具会主动分析每一条跨时钟域的路径。

XDC的基本语法

        XDC的基本语法可以分为时钟约束、I/O约束以及时序例外约束三大类。根据Xilinx的UltraFast设计方法学中Baseline部分的建议（UG949中有详细介绍），对一个设计进行约束的先后顺序也可以依照这三类约束依次进行。本文对可以在帮助文档中查到的基本XDC语法不做详细解释，会将重点放在使用方法和技巧上。

时钟约束

        时钟约束必须最早创建，对7系列FPGA来说，端口进来的主时钟以及GT的输出RXCLK/TXCLK都必须由用户使用create_clock自主创建。而衍生时钟则分为以下两类：

1. MMCM/PLL/BUFR的输出时钟都可以由Vivado自动推导，无需用户创建。若用户仅希望改变衍生钟的名字，其余频率等都由工具自动推导，则只需写明三个option，其余不写即可：create_generated_clock [-name arg] [-source args] [-master_clock arg] 
2. 工具不能自动推导出衍生钟的情况，包括使用寄存器和组合逻辑搭建的分频器等，必须由用户使用create_generated_clock来创建。

I/O约束

        在设计的初级阶段，可以不加I/O约束，让工具专注于满足FPGA内部的时序要求。当时序要求基本满足后，再加上I/O约束跑实现。XDC中的I/O约束有以下几点需要注意：

1. 不加任何I/O约束的端口时序要求被视作无穷大。 
2. XDC中的set_input_delay / set_output_delay对应于UCF中OFFSET IN / OFFSET OUT，但视角相反。OFFSET IN / OFFSET OUT是从FPGA内部延时的角度来约束端口时序，set_input_delay / set_output_delay则是从系统角度来约束。 
3. 典型的I/O时序，包括系统同步、源同步、SDR和DDR等等，在Vivado图形界面的XDC templates中都有示例。2014.1版后还有一个Timing Constraints Wizard可供使用。

时序例外约束

        时序例外约束包括set_max_delay/set_min_delay，set_multicycle_path，set_false_path等，这类约束除了要满足XDC的先后顺序优先级外，还受到自身优先级的限制。一个总的原则就是针对同一条路径，对约束目标描述越具体的优先级越高。不同的时序例外约束以及同一约束中不同条件的优先级如下所示：

 举例来说，依次执行如下两条XDC，尽管第二条最后执行，但工具仍然认定第一条约束设定的15为clk1到clk2之间路径的max delay值。

再比如，对图示路径依次进行如下四条时序例外约束，优胜者将是第二条。但如果再加入最后一条约束，false path的优先级最高，会取代之前所有的时序例外约束。

高效的时钟约束

约束最终是为了设计服务，所以要用好XDC就需要深入理解电路结构和设计需求。接下来我们就以常见FPGA设计中的时钟结构来举例，详细阐述XDC的约束技巧。

时序的零起点

用create_clock定义的主时钟的起点即时序的“零起点”，在这之前的上游路径延时都被工具自动忽略。所以主时钟创建在哪个“点”很重要，以下图所示结构来举例，分别于FPGA输入端口和BUFG输出端口创建一个主时钟，在时序报告中体现出的路径延时完全不同，很明显sysclk_bad的报告中缺少了之前一段的延时，时序报告不可信。

时钟定义的先后顺序

时钟的定义也遵从XDC/Tcl的一般优先级，即：在同一个点上，由用户定义的时钟会覆盖工具自动推导的时钟，且后定义的时钟会覆盖先定义的时钟。若要二者并存，必须使用 -add 选项。

      上述例子中BUFG的输出端由用户自定义了一个衍生钟clkbufg，这个衍生钟便会覆盖此处原有的sysclk。此外，图示BUFR工作在bypass模式，其输出不会自动创建衍生钟，但在BUFR的输出端定义一个衍生钟clkbufr，并使用-add 和 -master_clock 选项后，这一点上会存在sysclk和clkbufg两个重叠的时钟。如下的Tcl命令验证了我们的推论。

同步时钟和异步时钟

  不同于UCF约束，在XDC中，所有的时钟都会被缺省认为是相关的，也就是说，网表中所有存在的时序路径都会被Vivado分析。这也意味着FPGA设计人员必须通过约束告诉工具，哪些路径是无需分析的，哪些时钟域之间是异步的。

如上图所示，两个主时钟ssclkin和sysclk由不同的端口进入FPGA，再经由不同的时钟网络传递，要将它们设成异步时钟，可以使用如下约束：

 其中，-include_generated_clocks 表示所有衍生钟自动跟其主时钟一组，从而与其它组的时钟之间为异步关系。不加这个选项则仅仅将时钟关系的约束应用在主时钟层面。

重叠（单点多个）时钟

 重叠时钟是指多个时钟共享完全相同的时钟传输网络，例如两个时钟经过一个MUX选择后输出的时钟，在有多种运行模式的设计中很常见。

如下图所示，clk125和clk250是clkcore_buf的两个输入时钟，不约束时钟关系的情况下，Vivado会对图示路径做跨时钟域（重叠时钟之间）分析。这样的时序报告即便没有违例，也是不可信的，因为clk125和clk250不可能同时驱动这条路径上的时序元件。这么做也会增加运行时间，并影响最终的实现效果。

 如果clk125和clk250除了通过clkcore_buf后一模一样的扇出外没有驱动其它时序元件，我们要做的仅仅是补齐时钟关系的约束。

在很多情况下，除了共同的扇出，其中一个时钟或两个都还驱动其它的时序元件，此时建议的做法是在clkcore_buf的输出端上创建两个重叠的衍生钟，并将其时钟关系约束为-physically_exclusive 表示不可能同时通过。这样做可以最大化约束覆盖率，也是ISE和UCF中无法做到的。

其它高级约束

时钟的约束是XDC的基础，熟练掌握时钟约束，也是XDC约束技巧的基础。其它高级约束技巧，包括复杂的CDC（Clock Domain Crossing）约束和接口时序（SDR、DDR、系统同步接口和源同步接口）约束等方面还有很多值得注意的地方。