創(chuàng)建輸入輸出接口時(shí)序約束的竅門

時(shí)序約束中的 set_input_delay/set_output_delay 約束一直是一個(gè)難點(diǎn)，無論是概念、約束值的計(jì)算，還是最終的路徑分析，每一次都要費(fèi)一番腦子。Vivado為方便用戶創(chuàng)建輸入輸出接口的約束，整理出了一套非常實(shí)用的InputDelay/Output Delay Constraints Language Templates。只需根據(jù)接口信號(hào)的特征匹配到對(duì)應(yīng)的 template 分類，就可以輕松套用模板中的公式創(chuàng)建約束。

本文將通過3個(gè)例子來展示，如何精確找到匹配的 template。

01 Input Delay/Output Delay Constraints Language Template

首先來介紹下 Vivado 的 language Template。在 Vivado GUI 界面下，Tools 菜單里即可打開 Language Template。下圖紅框部分即 InputDelay/Output Delay Constraints 部分的模板

02 模板分類目錄中的關(guān)鍵字

1. System Synchronous（系統(tǒng)同步）和 Source Synchronous（源同步）

System Synchronous：兩個(gè) device 之間進(jìn)行通信時(shí)，使用一個(gè)共用時(shí)鐘，用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

Source Synchronous：兩個(gè) device 間進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送端生成一個(gè)伴隨發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)。接收端利用該隨路時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

2. SDR 和 DDR

SDR：singledata rate。一個(gè)時(shí)鐘周期只傳輸一個(gè) data。

DDR：doubledata rate。一個(gè)時(shí)鐘周期傳輸兩個(gè) data。

3. Center-Aligned 和 Edge-Aligned

Center-Aligned 中心對(duì)齊，指時(shí)鐘的采樣沿 (capture edge) 處于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)有效窗口的中心位置附近。

Edge-Aligned 邊沿對(duì)齊，指時(shí)鐘的采樣沿處于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的起始或結(jié)束位置附近.

03 Template的內(nèi)容

我們以"InputDelay Constraints -> Source Synchronous -> Center-Aligned -> SDR, Rising Edge" 模板為例，看看模板的具體內(nèi)容。

每個(gè)模板開頭都有個(gè)波形圖，描述這個(gè)模板對(duì)應(yīng)的接口 data 與 clock 之間的時(shí)序關(guān)系。后面我們會(huì)講，這個(gè)時(shí)序圖將是精準(zhǔn)匹配模板的關(guān)鍵。

波形圖里標(biāo)示的參數(shù) dv_bre,dv_are，是用來代入約束模板里面的公式計(jì)算 -max 和 -min 的約束值。因此匹配了正確的模板，確定了波形圖里的參數(shù)值，就可以套用公式完成約束的創(chuàng)建。

04 匹配模板的法寶 - 波形圖

那么問題來了，去哪里找接口信號(hào)的波形圖？

模板里用來計(jì)算的參數(shù)如何確定呢？

答案: 對(duì)端器件的 Datasheet

Inputdelay 和 output delay 約束提供給 Vivado工具的信息，是 FPGA 外部電路上的時(shí)序數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)跟 FPGA 內(nèi)部電路上的時(shí)序信息（這部分工具已知）相結(jié)合才能完整地分析整條路徑是否滿足終點(diǎn)器件的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

Inputdelay 約束的創(chuàng)建依賴 FPGA 上游器件的 Datasheet；Output delay 約束的創(chuàng)建依賴下游器件的 Datasheet。

我們以 LTC2000A-11 DAC 器件的 Datasheet 為例：https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/2000...

我們需要的波形圖通常在 Datasheet 的 Timing Diagram 部分，而用來計(jì)算的參數(shù)通常在Timing Characteristics 部分。

對(duì)于前面講解的模板的三種分類目錄，SystemSynchronous/Source Synchronous 以及SDR/DDR 的區(qū)分相對(duì)容易，而 Center-Aligned 和 Edge-Aligned 如何得知呢？

這就依賴于對(duì)端器件的 Datasheet 中的 Timing 波形圖。

我們來看幾個(gè)例子：

例一:

這是一個(gè) SourceSynchronous 的 DDR 接口，需要約束 Dx 數(shù)據(jù)的 inputdelay，時(shí)鐘為DCO。下圖為上游器件 Datasheet 中的TimingDiagram，其中tDATA的范圍是1.3ns~1.9ns。

從圖中可以看出時(shí)鐘采樣沿大致在 Data 的中心，因此是 Center-Aligned。那么這個(gè)數(shù)據(jù)接口符合 SourceSynchronous --> Center-Aligned --> DDR 模板。

這個(gè)模板需要 dv_bre 等4個(gè)參數(shù)，如何確定呢？我們只需將 Datasheet 里的原波形圖做一點(diǎn)細(xì)化改動(dòng)，就可以與模板里的波形圖完美匹配了。

t_DATA 之所以是一個(gè)范圍值，就是因?yàn)?data 是有“有效數(shù)據(jù)”（datavalid）和“無效數(shù)據(jù)”（陰影部分）窗口的。把原波形圖畫出陰影部分就一目了然了。

因此，

dv_bfe = dv_bre = tDATA_MIN = 1.3ns

dv_afe = dv_are = tDATA_MAX = (? Period – 1.9)ns

例二、

從下面這個(gè) Datasheet 里的波形圖可以看出，這是一個(gè) SourceSynchronous Edge-Aligned DDR 接口，需要?jiǎng)?chuàng)建 DQ 的 input delay 約束，時(shí)鐘是 DQS

這個(gè)例子比較直觀，直接匹配 SourceSynchronous ->Edge-Aligned -> DDR 模板

其中

skew_bre = skew_bfe = ? Period - t_QH

skew_are = skew_afe = t_DQSQ

例三、

這個(gè)例子也是 SourceSynchronous，是從前面的 LTC2000A-11DAC 器件的 Datasheet 中提取出來的，需要?jiǎng)?chuàng)建 DAP/N的outputdelay 約束，隨路時(shí)鐘是DCKI。其中t11參數(shù)為0.057ns，t12參數(shù)為-0.017ns

Output delay 模板的分類不同于 Inputdelay，分為 Skew Based 和 Setup/HoldBased。仔細(xì)分析模板內(nèi)容不難看出，兩者之間的差別是看對(duì)端器件 Datasheet 里提供的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間關(guān)系的參數(shù)值是 Skew 形式還是 Setup/Hold 形式

本例中 t₁₁，t₁₂ 是Setup/Hold值，因此匹配 SourceSynchronous -> Setup/Hold Based -> DDR 模板。

其中

tsu_r = tsu_f = t₁₁

thd_r = thd_f = t₁₂

希望通過這三個(gè)例子，能夠幫助大家找到使用模板創(chuàng)建輸入輸出接口時(shí)序約束的竅門。

審核編輯：湯梓紅