XDC约束技巧之时钟篇

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 XilinxDesign 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 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的基本方法

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，端口进来的时钟以及 GT 的输出 RXCLK/TXCLK 都必须 由用户使用 create_clock 自主创建为主时钟。如果是差分输入的时钟，可以仅仅在差分对的 P 侧用 get_ports 获取端口，并使用 create_clock 创建。例如，

Vivado 自动推导的衍生时钟

MMCM/PLL/BUFR 的输出作为衍生时钟，可以由 Vivado 自动推导，无需用户创建。自动推导的好处在于 当MMCM/PLL/BUFR 的配置改变而影响到输出时钟的频率和相位时，用户无需改写约束，Vivado 仍然可以自 动推导出正确的频率/相位信息。劣势在于，用户并不清楚自动推导出的衍生钟的名字，当设计层次改变时，衍生钟的名字也有可能改变。这样就会带来一个问题：用户需要使用这些衍生钟的名字来创建 I/O 约束、时钟关系或是时序例外等约束时，要么不知道时钟名字，要么时钟名字是错的。

推荐的做法是，由用户来指定这类衍生时钟的名字，其余频率等都由 Vivado 自动推导。这样就只需写明 create_generated_clock 的三个 option，其余不写即可。如上所示。

当然，此类情况下用户也可以选择完全由自己定义衍生时钟，只需补上其余表示频率/相位关系的 option， 包括-multiply_by 、-divide_by 等等。需要注意的是，一旦 Vivado 在 MMCM/PLL/BUFR 的输出检测到用户自定义的衍生时钟，就会报告一个 Warning，提醒用户这个约束会覆盖工具自动推导出的衍生时钟（例外的情况见文章下半段重叠时钟部分的描述），用户须保证自己创建的衍生钟的频率等属性正确。

用户自定义的衍生时钟

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。举例如下，

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。 OFFSETIN / 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，尽管第二条较晚执行，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。

高级时钟约束

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。

定义时钟的先后顺序

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。

其他高级约束

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。这一系列《XDC 约束技巧》文章还会继续就上述所列方向分篇详述，敬请关注作者的后续更新，以及 Xilinx 官方网站和中文论坛上的更多技术文章。

下一篇，将推出《XDC约束技巧之CDC篇》，欢迎阅读。

审核编辑：汤梓红