FPGA设计中的约束文件有3类:用户设计文件(.UCF文件)、网表约束文件(.NCF文件)以及物理约束文件(.PCF文件),可以完成时序约束、管 脚约束以及区域约束。3类约束文件的关系为:用户在设计输入阶段编写UCF文件,然后UCF文件和设计综合后生成NCF文件,最后再经过实现后生成PCF 文件。UCF文件是ASC 2码文件,描述了逻辑设计的约束,可以用文本编辑器和Xilinx约束文件编辑器进行编辑。NCF约束文件的语法和UCF文件相同,二者的区别在于: UCF文件由用户输入,NCF文件由综合工具自动生成,当二者发生冲突时,以UCF文件为准,这是因为UCF的优先级最高。PCF文件可以分为两个部分: 一部分是映射产生的物理约束,另一部分是用户输入的约束,同样用户约束输入的优先级最高。一般情况下,用户约束都应在UCF文件中完成,不建议直接修改 NCF文件和PCF文件。
约束文件的后缀是.ucf,所以一般也被称为UCF文件。创建约束文件有两种方法,一种是通过新建方式,另一种则是利用过程管理器来完成。
第一种方法:新建一个源文件,在代码类型中选取“Implementation Constrains File”,在“File Name”中输入约束文件的名称。单击“Next”按键进入模块选择对话框,选择要约束的模块,然后单击“Next”进入下一页,再单击“Finish”按键完成约束文件的创建。
第二种方法:在工程管理区中,将“Source for”设置为“Synthesis/Implementation”。“Constrains Editor”是一个专用的约束文件编辑器,双击过程管理区中“User Constrains”下的“Create Timing Constrains”就可以打开“Constrains Editor”。
需要注意的是,UCF文件是大小敏感的,端口名称必须和源代码中的名字一致,且端口名字不能和关键字一样。但是关键字NET是不区分大小写的。
UCF文件的语法说明:
1.语法
UCF文件的语法为:
{NET|INST|PIN} "signal_name" Attribute;
其中,“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。例如:
NET "CLK" LOC = P30;
“CLK”就是所约束信号名,LOC = P30;是约束具体的含义,将CLK信号分配到FPGA的P30管脚上。
对于所有的约束文件,使用与约束关键字或设计环境保留字相同的信号名会产生错误信息,除非将其用" "括起来,因此在输入约束文件时,最好用" "将所有的信号名括起来。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;
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 遍历level1种的模块,但不遍历更低层的模块管脚和区域约束语法(也可以通过Floorplanner约束)
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。
LOC语句语法
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];
表 常用的LOC定位语句
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。
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,下表出了LOC的常用属性。
时序约束的语法(也可通过constraint editor约束)
UCF文件中时序约束的语法
约束UCF文件,从Constrains Editor直接输入是最方便、最直接的添加约束的方法了。以下是几种常用的语法:
1)周期约束
PERIOD约束是一个基本时序和综合约束,它附加在时钟网线上,时序分析工具根据PERIOD约束检查时钟域内所有同步元件的时序是否满足要求,它将检查与同步时序约束端口相连接的所有路径的延迟,但是不会检查PAD到寄存器的路径。
附加时钟周期约束的首选方法(Preferred Method)语法如下:
TIMESPEC “TS_identifier” = PERIOD “TNM_reference” period {HIGH|LOW} [high_or_low_time]
其 中“[]”内为可选项,“{}”为必选项,参数period为要求的时钟周期,可以使用ps、ns、us或者ms等单位,大小写都可以,缺省单位为ns。 HIGH|LOW关键词指出时钟周期里的第一个脉冲是高电平还是低电平,而high_or_low_time为脉冲的延续时间,缺省单位也是ns,如果不 提供该项,则缺省占空比为50%。
TIMESPEC是一个基本时序相关约束标识,表示本约束为时序规范。TSidentifier包括字母TS和一个标识符identifier(为ASCII码字符串)共同组成一个时序规范。
例如定义时钟周期约束时,首先在时钟网线clk上附加一个TNM_NET约束,把clk驱动的所有同步元件定义为一个名为sys_clk的分组,然后使用TIMESPEC约束定义时钟周期。
NET “clk” TNM_NET=”sys_clk”; #定义clk驱动的所有同步元件为sys_clk的分组
TIMESPEC “TS_sys_clk”= PERIOD “sys_clk” 50 HIGH 30; #定义可引用的时序规范TS_sys_clk,
#这个规范规定sys_clk组的时钟情况
而定义派生时钟的语法如下:
TIMESPEC “TSidentifier_2”=PERIOD “timegroup_name” “TSidentifier_1” [*or/] factor PHASE [+|-] phase_value [units]; #定义第二个时序规范TSidentifier_2,其内容是名为timegroup_name的分组是第
#一个时序规范TSidentifier_1派生的
其中TSidentifier_2为要定义的派生时钟,TSidentifier_1为已经定义的时钟,factor指出两者周期的辈数关系,是一个浮点数。phase_value指出两者之间的相位关系,为浮点数。例如:
定义主时钟clk0:
TIMESPEC “TS01” = PERIOD “clk0” 10.0 ns;
定义派生时钟clk180,其相位与主时钟相差180°:
TIMESPEC “TS02” = PERIOD “clk180” TS01 PHASE + 5.0 ns;
定义派生时钟clk180_2,其周期为主时钟的1/2,并延迟2.5ns:
TIMESPEC “TS03” = PERIOD “clk180_2” TS01 /2 PHASE + 2.5 ns;
2)偏移约束
偏 移约束规定了外部时钟和数据输入输出引脚之间的时序关系,只用于与PAD相连的(端口)信号,不能用于内部信号。使用该约束可以为综合实现工具指出输入数 据到达的时刻,或者输出数据稳定的时刻,从而在综合实现中调整布局布线过程,使正在开发的FPGA/CPLD的输入建立时间以及下一级电路的输入建立时间 满足要求。
基本语法如下:
OFFSET = {IN|OUT} “offset_time” [units] {BEFORE|AFTER} “clk_name” [TIMEGRP “group_name”];
其中{IN|OUT}说明约束的是输入还是输出,offset_time为FPGA引脚数据变化与有效时钟沿之间的时间差,BEFORE|AFTER说明该时间差在有效时钟沿的前面还是后面,TIMEGRP “group_name”定义了约束的触发器组,缺省时约束该时钟驱动的所有触发器。
3)分组约束
使用TNM(Timing Name)约束可以选出构成一个分组的元件,并赋予一个名字,以便给它们附加约束。TNM_NET(timing name for nets)约束只加在网线上,其作用与TNM加在网上时基本相同,即把该网线所在路径上的所有有效同步元件作为命名组的一部分。不同之处在于当TNM约束加在PAD NET上时,TNM的值将被赋予PAD,而不是该网线所在的路径上的同步元件,即TNM约束不能穿过IBUF。而用TNM_NET约束就不会出现这种情况。
4)专门约束
附加约束的一般策略是首先附加整体约束,例如PERIOD、OFFSET等,然后对局部的电路附加专门约束,这些专门约束通常比整体约束宽松,通过在可能的地方尽量放松约束可以提高布线通过率,减小布局布线的时间。
FROM_TO约束在两个组之间定义时序约束,对两者之间的逻辑和布线延迟进行控制,这两个组可以是用户定义的,也可以是与定义的。用户可以使用TNM_NET、TNM和TIMEGRP定义组,而与定义组主要包括FFS、LATCHES、PADS和RAMS等。语法如下:
TIMESPEC “TSname” = FROM “group1” TO “group2” value;
其中value为延迟时间,可以使具体数值或表达式。
MAXDELAY约束定义了特定网线上的最大延迟,其语法如下:
NET “net_name” MAXDELAY = value units;
以上
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