Xilinx OFFSET偏移约束略谈
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2011年5月29日
Xilinx ISE约束除了Period约束，最基本的应该就是OFFSET约束（偏移约束）了。
下面分条目简单说一下OFFSET如何应用（下文主要围绕OFFSET IN展开讨论）。
（1）OFFSET约束基本概念
可以概括为三大注意点：
(a)OFFSET约束是用来约束数据和时钟之间的时延关系。
(b)它只能用于与FPGA管脚（PAD）相连的信号，不能用于内部信号。
(c)它告诉ISE布局布线工具，外部时钟和数据输入输出管脚之间的时序关系。
当然，如果我只是简单的列出上面三条，不解释的话，仍然会给读者带来重大误解。
先给出UCF文件中的约束代码：
TIMEGRP "data" OFFSET = IN 2ns BEFORE "sysclk";
其中"data"是一组输入信号的组名，sysclk是输入时钟管脚名字。
这个2ns究竟是什么含义呢？
请看下图：
2ns的含义，就是告诉ISE，在时钟信号和数据信号进入FPGA之前，它们之间的时延是2ns。用一句拗口的话来说就是：在时钟信号沿来之前的2ns，数据准备好。说的事情就是上图给出的时序图。因此，OFFSET约束并不是叫ISE布线工具在FPGA内部给你实现一个2ns的时延。那么ISE布线工具知道了输入时钟、数据信号之间的时延之后，能干什么呢？
（2）OFFSET约束的作用
OFFSET约束作用有3个，
(a)计算信号、时钟在FPGA内部的时延，给出准确的时序报告
(b)根据UCF中指定的时延关系，去调整输入信号到达同步单元的时间。
(c) b是针对Offset In而言，同理针对Offset Out，会调整输出信号到达输出管脚的时间。
仍然以上图为例说明，综合实现工具将努力使得数据信号、时钟信号到达同步单元的相对延迟+FPGA外部本来的延时，不会超过一个时钟周期。并在布线完后会给出数据路径和精确时延报告。
例如，经过FPGA内部到达同步单元的时序关系变为：
这样就会出现时序错误了。
那么，很自然地会想到：我怎么知道信号进入FPGA之前的时延呢？
（3）如何准确地知道时钟和数据之间的时延关系？
以ADC+FPGA为例，FPGA作为ADC信号的接口，接收ADC采集的数据。这时候需要看ADC芯片手册查找相关参数，ADC芯片手册会给出其输出时钟和数据之间的相对关系。
下面以国半的ADC16DV160为例，假定它的输出数据和输出时钟都连接到FPGA上，而且在PCB板上的走线等长（实际工程师在设计PCB时，肯定是这么做的）。
当采样频率是160MHz的时候，Tsu=1.57ns, Th=1.55ns。
看它的时序图也能看出来，输出的时钟对应着数据的中间位置。
因此，对于上升沿采样的数据而言，其OFFSET约束应该这么写：
NET "adc_clk_p" TNM_NET = adc_clk_p;
TIMESPEC TS_adc_clk_p = PERIOD "adc_clk_p" 160 MHz HIGH 50%;
##OFFSET IN
NET "adc_data <*>" TNM = " data"; ##adc_data<0>等等表示输入管脚名
TIMEGRP " data " OFFSET = IN 1.57ns BEFORE "adc_clk_p";
写上这些约束，大家要养成查看时序报告的习惯。时序报告会告诉你这些时序满足或者不满足。在实际中，如果ISE的时序报告告诉你能够满足你的时序约束，然而FPGA程序在实际运行的时候却发现存在时序问题（例如ADC采集信号有毛刺等），这说明你在UCF中指定的时延关系并不正确！
初学者常犯的一个错误，时序报告告诉你OFFSET IN约束无法满足，会去修改OFFSET IN的时延值，使得布线工具不再报时序错误；另一种错误是，以为把这个时延值写的越小，FPGA程序的时钟频率能跑的越快。
因此，当我们清楚地知道OFFSET约束语句中这个时延值代表的真正含义时，就不会再做这两种无用功了（PS：当然，既然改了时延值，就会更改FPGA布线，也有瞎猫碰到死耗子——碰巧解决了实际问题的事情发生。但我们必须知道那是不对滴）。
（4）OFFSET约束怎么之前还加上周期约束
上面的例子中，约束了adc_clk_p时钟信号的周期。
这是必须的。如果你不告诉ISE综合布线工具关于时钟周期的信息，OFFSET约束会被忽略。
很自然的，布线工具需要知道时钟信号的周期，这样它才能努力使得数据信号、时钟信号到达同步单元的相对延迟+FPGA外部本来的延时，不会超过一个时钟周期。
此外，说明一下：
TIMESPEC TS_adc_clk_p = PERIOD "adc_clk_p" 160 MHz HIGH 50%;
High 50%，High表明了ISE在计算时延值时，是以时钟上升沿作为时间0点，50%也是用于计算时延时用的（双沿时用得着）。并不是说要去约束FPGA内部这个时钟要达到50%的占空比，约束第一个进入的时钟是上升沿，并不是这个意思。
因此，定义了时间0点，也就存在Before和After之说了，也就存在时延的正值、负值之说了。
（5）双沿输入的情况下怎么约束
在第3条中的例子，就是这种情况，ADC16DV160输出的数据是DDR的，作为16bit的ADC，其上升沿输出偶数bit数据，下降沿输出奇数bit数据；这样可以节省ADC输出的位宽。
由于OFFSET IN的约束随着ISE版本的升级，语法也不断的发生变化。针对目前我用的ISE12，Xilinx推荐的规范写法如下：
NET "adc_clk_p" TNM_NET = adc_clk_p;
TIMESPEC TS_adc_clk_p = PERIOD "adc_clk_p" 160 MHz HIGH 50%;
##OFFSET IN
NET "adc_data_I_p<*>" TNM = "adc_data";
NET "adc_data_Q_p<*>" TNM = "adc_data";
NET "adc_data_I_n<*>" TNM = "adc_data";
NET "adc_data_Q_n<*>" TNM = "adc_data";
TIMEGRP "adc_data" OFFSET = IN 1.57ns VALID 1.55ns BEFORE "adc_clk_p" RISING;
TIMEGRP "adc_data" OFFSET = IN 1.57ns VALID 1.55ns BEFORE "adc_clk_p" FALLING;
注意：使用了RISING和FALLING的关键字。此外，差分时钟输入，我只选择了其中P管脚信号adc_clk_p进行约束。ISE能够把这个约束传递到BUFG和DCM。
关于双沿的讨论，还可以参考如下链接的信息：
http://myfpgablog.blogspot.com/2009/10/ddr-offset-inout-constraints-with-dcm.html
http://forums.xilinx.com/t5/Timing-Analysis/OFFSET-IN-DDR-timing-constraints-again/td-p/54507
（6）OFFSET约束时序不满足怎么办？
经常会碰到这种问题。
解决方法有两种：
(a)使用DCM的移相功能
(b)使用IDELAY
Xilinx自带的IP Core，诸如RocketIO/MIG等等，都会用上IODELAY。对于一般用户，自己写的代码，最常用的应该是采用DCM。相位的设置可以根据布线结果给出的时序余量来确定。相位值如果采用Fixed，可能无论怎么调都不一定能满足要求，毕竟修改了代码，每一次布线的结果并一定只改动了DCM部分。
DCM有动态调整相位的功能，可以派上用场。
DCM动态调相用到了PSEN,PSINCDEC,PSCLK,PSDONE这几个信号。
这些端口默认是灰色的，要选中VARIABLE_POSITIVE/CENTER等之后，才会出现。
控制很简单，出一个PSEN单周期信号，如果PSINCDEC为低，则相位增加1个；反之，降低一个相位。