XDC的时钟约束及优势

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 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：
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] 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：

不加任何I/O约束的端口时序要求被视作无穷大。

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。

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。