賽靈思（Xilinx）FPGA用戶約束文件的分類和語法說明

FPGA設(shè)計(jì)中的約束文件有3類：用戶設(shè)計(jì)文件（.UCF文件）、網(wǎng)表約束文件（.NCF文件）以及物理約束文件（.PCF文件），可以完成時(shí)序約束、管腳約束以及區(qū)域約束。3類約束文件的關(guān)系為：用戶在設(shè)計(jì)輸入階段編寫UCF文件，然后UCF文件和設(shè)計(jì)綜合后生成NCF文件，最后再經(jīng)過實(shí)現(xiàn)后生成PCF 文件。
UCF文件是ASC 2碼文件，描述了邏輯設(shè)計(jì)的約束，可以用文本編輯器和Xilinx約束文件編輯器進(jìn)行編輯。NCF約束文件的語法和UCF文件相同，二者的區(qū)別在于： UCF文件由用戶輸入，NCF文件由綜合工具自動(dòng)生成，當(dāng)二者發(fā)生沖突時(shí)，以UCF文件為準(zhǔn)，這是因?yàn)閁CF的優(yōu)先級(jí)最高。PCF文件可以分為兩個(gè)部分：一部分是映射產(chǎn)生的物理約束，另一部分是用戶輸入的約束，同樣用戶約束輸入的優(yōu)先級(jí)最高。一般情況下，用戶約束都應(yīng)在UCF文件中完成，不建議直接修改 NCF文件和PCF文件。約束文件的后綴是.ucf，所以一般也被稱為UCF文件。創(chuàng)建約束文件有兩種方法，一種是通過新建方式，另一種則是利用過程管理器來完成。第一種方法：新建一個(gè)源文件，在代碼類型中選取“Implementation Constrains File”，在“File Name”中輸入約束文件的名稱。單擊“Next”按鍵進(jìn)入模塊選擇對話框，選擇要約束的模塊，然后單擊“Next”進(jìn)入下一頁，再單擊“Finish”按鍵完成約束文件的創(chuàng)建。第二種方法：在工程管理區(qū)中，將“Source for”設(shè)置為“Synthesis/Implementation”?！癈onstrains Editor”是一個(gè)專用的約束文件編輯器，雙擊過程管理區(qū)中“User Constrains”下的“Create Timing Constrains”就可以打開“Constrains Editor”。?需要注意的是，UCF文件是大小敏感的，端口名稱必須和源代碼中的名字一致，且端口名字不能和關(guān)鍵字一樣。但是關(guān)鍵字NET是不區(qū)分大小寫的。UCF文件的語法說明：1．語法UCF文件的語法為：{NET|INST|PIN} "signal_name" Attribute;其中，“signal_name”是指所約束對象的名字，包含了對象所在層次的描述；“Attribute”為約束的具體描述；語句必須以分號(hào)“；”結(jié)束?？梢杂谩?”或“”添加注釋。需要注意的是：UCF文件是大小寫敏感的，信號(hào)名必須和設(shè)計(jì)中保持大小寫一致，但約束的關(guān)鍵字可以是大寫、小寫甚至大小寫混合。例如：NET "CLK" LOC = P30;“CLK”就是所約束信號(hào)名，LOC = P30；是約束具體的含義，將CLK信號(hào)分配到FPGA的P30管腳上。對于所有的約束文件，使用與約束關(guān)鍵字或設(shè)計(jì)環(huán)境保留字相同的信號(hào)名會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，除非將其用" "括起來，因此在輸入約束文件時(shí)，最好用" "將所有的信號(hào)名括起來。

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，“?”則代表一個(gè)字符。在編輯約束文件時(shí)，使用通配符可以快速選擇一組信號(hào)，當(dāng)然這些信號(hào)都要包含部分共有的字符串。例如：NET "*CLK?" FAST;將包含“CLK”字符并以一個(gè)字符結(jié)尾的所有信號(hào)，并提高了其速率。在位置約束中，可以在行號(hào)和列號(hào)中使用通配符。例如：INST "/CLK_logic 遍歷level1種的模塊，但不遍歷更低層的模塊
管腳和區(qū)域約束語法（也可以通過Floorplanner約束）LOC約束是FPGA設(shè)計(jì)中最基本的布局約束和綜合約束，能夠定義基本設(shè)計(jì)單元在FPGA芯片中的位置，可實(shí)現(xiàn)絕對定位、范圍定位以及區(qū)域定位。此外， LOC還能將一組基本單元約束在特定區(qū)域之中。LOC語句既可以書寫在約束文件中，也可以直接添加到設(shè)計(jì)文件中。換句話說，ISE中的FPGA底層工具編輯器（FPGA Editor）、布局規(guī)劃器（Floorplanner）和引腳和區(qū)域約束編輯器的主要功能都可以通過LOC語句完成。LOC語句語法INST "instance_name " LOC = location;其中“l(fā)ocation”可以是FPGA芯片中任一或多個(gè)合法位置。如果為多個(gè)定位，需要用逗號(hào)“,”隔開，如下所示：LOC = location1,location2,...,locationx;目前，還不支持將多個(gè)邏輯置于同一位置以及將多個(gè)邏輯至于多個(gè)位置上。需要說明的是，多位置約束并不是將設(shè)計(jì)定位到所有的位置上，而是在布局布線過程中，布局器任意挑選其中的一個(gè)作為最終的布局位置。
范圍定位的語法為：INST “instance_name” LOC=location:location [SOFT];
表 常用的LOC定位語句[[wysiwyg_imageupload:169:]]使用LOC完成端口定義時(shí)，其語法如下：NET "Top_Module_PORT" LOC = "Chip_Port";其中，“Top_Module_PORT”為用戶設(shè)計(jì)中頂層模塊的信號(hào)端口，“Chip_Port”為FPGA芯片的管腳名。LOC語句中是存在優(yōu)先級(jí)的，當(dāng)同時(shí)指定LOC端口和其端口連線時(shí)，對其連線約束的優(yōu)先級(jí)是最高的。
2．LOC屬性說明
LOC語句通過加載不同的屬性可以約束管腳位置、CLB、Slice、TBUF、塊RAM、硬核乘法器、全局時(shí)鐘、數(shù)字鎖相環(huán)（DLL）以及DCM模塊等資源，基本涵蓋了FPGA芯片中所有類型的資源。由此可見，LOC語句功能十分強(qiáng)大，下表出了LOC的常用屬性。

時(shí)序約束的語法（也可通過constraint editor約束）
UCF文件中時(shí)序約束的語法
約束UCF文件，從Constrains Editor直接輸入是最方便、最直接的添加約束的方法了。以下是幾種常用的語法：
1）周期約束
PERIOD約束是一個(gè)基本時(shí)序和綜合約束，它附加在時(shí)鐘網(wǎng)線上，時(shí)序分析工具根據(jù)PERIOD約束檢查時(shí)鐘域內(nèi)所有同步元件的時(shí)序是否滿足要求，它將檢查與同步時(shí)序約束端口相連接的所有路徑的延遲，但是不會(huì)檢查PAD到寄存器的路徑。
附加時(shí)鐘周期約束的首選方法（Preferred Method）語法如下：
TIMESPEC “TS_identifier” = PERIOD “TNM_reference” period {HIGH|LOW} [high_or_low_time]
其中“[]”內(nèi)為可選項(xiàng)，“{}”為必選項(xiàng)，參數(shù)period為要求的時(shí)鐘周期，可以使用ps、ns、us或者ms等單位，大小寫都可以，缺省單位為ns。HIGH|LOW關(guān)鍵詞指出時(shí)鐘周期里的第一個(gè)脈沖是高電平還是低電平，而high_or_low_time為脈沖的延續(xù)時(shí)間，缺省單位也是ns，如果不提供該項(xiàng)，則缺省占空比為50%。
TIMESPEC是一個(gè)基本時(shí)序相關(guān)約束標(biāo)識(shí)，表示本約束為時(shí)序規(guī)范。TSidentifier包括字母TS和一個(gè)標(biāo)識(shí)符identifier（為ASCII碼字符串）共同組成一個(gè)時(shí)序規(guī)范。
例如定義時(shí)鐘周期約束時(shí)，首先在時(shí)鐘網(wǎng)線clk上附加一個(gè)TNM_NET約束，把clk驅(qū)動(dòng)的所有同步元件定義為一個(gè)名為sys_clk的分組，然后使用TIMESPEC約束定義時(shí)鐘周期。
NET “clk” TNM_NET=”sys_clk”;????????????????????????????????? #定義clk驅(qū)動(dòng)的所有同步元件為sys_clk的分組
TIMESPEC “TS_sys_clk”= PERIOD “sys_clk” 50 HIGH 30;??????????????? #定義可引用的時(shí)序規(guī)范TS_sys_clk，
#這個(gè)規(guī)范規(guī)定sys_clk組的時(shí)鐘情況
而定義派生時(shí)鐘的語法如下：
TIMESPEC “TSidentifier_2”=PERIOD “timegroup_name” “TSidentifier_1” [*or/] factor PHASE [+|-] phase_value [units];????????? #定義第二個(gè)時(shí)序規(guī)范TSidentifier_2，其內(nèi)容是名為timegroup_name的分組是第
#一個(gè)時(shí)序規(guī)范TSidentifier_1派生的
其中TSidentifier_2為要定義的派生時(shí)鐘，TSidentifier_1為已經(jīng)定義的時(shí)鐘，factor指出兩者周期的輩數(shù)關(guān)系，是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。phase_value指出兩者之間的相位關(guān)系，為浮點(diǎn)數(shù)。例如：
定義主時(shí)鐘clk0：
TIMESPEC “TS01” = PERIOD “clk0” 10.0 ns;
定義派生時(shí)鐘clk180，其相位與主時(shí)鐘相差180°：
TIMESPEC “TS02” = PERIOD “clk180” TS01 PHASE + 5.0 ns;
定義派生時(shí)鐘clk180_2,其周期為主時(shí)鐘的1/2，并延遲2.5ns：
TIMESPEC “TS03” = PERIOD “clk180_2” TS01 /2 PHASE + 2.5 ns;
2)偏移約束
偏移約束規(guī)定了外部時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的時(shí)序關(guān)系，只用于與PAD相連的（端口）信號(hào)，不能用于內(nèi)部信號(hào)。使用該約束可以為綜合實(shí)現(xiàn)工具指出輸入數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)刻，或者輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時(shí)刻，從而在綜合實(shí)現(xiàn)中調(diào)整布局布線過程，使正在開發(fā)的FPGA/CPLD的輸入建立時(shí)間以及下一級(jí)電路的輸入建立時(shí)間滿足要求。
基本語法如下：
OFFSET = {IN|OUT} “offset_time” [units] {BEFORE|AFTER} “clk_name” [TIMEGRP “group_name”];
其中{IN|OUT}說明約束的是輸入還是輸出，offset_time為FPGA引腳數(shù)據(jù)變化與有效時(shí)鐘沿之間的時(shí)間差，BEFORE|AFTER說明該時(shí)間差在有效時(shí)鐘沿的前面還是后面，TIMEGRP “group_name”定義了約束的觸發(fā)器組，缺省時(shí)約束該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的所有觸發(fā)器。
3）分組約束
使用TNM（Timing Name）約束可以選出構(gòu)成一個(gè)分組的元件，并賦予一個(gè)名字，以便給它們附加約束。TNM_NET（timing name for nets）約束只加在網(wǎng)線上，其作用與TNM加在網(wǎng)上時(shí)基本相同，即把該網(wǎng)線所在路徑上的所有有效同步元件作為命名組的一部分。不同之處在于當(dāng)TNM約束加在PAD NET上時(shí)，TNM的值將被賦予PAD，而不是該網(wǎng)線所在的路徑上的同步元件，即TNM約束不能穿過IBUF。而用TNM_NET約束就不會(huì)出現(xiàn)這種情況。
4）專門約束
附加約束的一般策略是首先附加整體約束，例如PERIOD、OFFSET等，然后對局部的電路附加專門約束，這些專門約束通常比整體約束寬松，通過在可能的地方盡量放松約束可以提高布線通過率，減小布局布線的時(shí)間。
FROM_TO約束在兩個(gè)組之間定義時(shí)序約束，對兩者之間的邏輯和布線延遲進(jìn)行控制，這兩個(gè)組可以是用戶定義的，也可以是與定義的。用戶可以使用TNM_NET、TNM和TIMEGRP定義組，而與定義組主要包括FFS、LATCHES、PADS和RAMS等。語法如下：
TIMESPEC “TSname” = FROM “group1” TO “group2” value;
其中value為延遲時(shí)間，可以使具體數(shù)值或表達(dá)式。
MAXDELAY約束定義了特定網(wǎng)線上的最大延遲，其語法如下：
NET “net_name” MAXDELAY = value units;
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