Xilinx FPGA用户约束文件

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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ASCII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”，其界面如图所示：

 

图1 启动Constrains Editor引脚约束编辑

 

在“Ports”选项卡中可以看到，所有的端口都已经罗列出来了，如果要修改端口和FPGA管脚的对应关系，只需要在每个端口的“Location”列中填入管脚的编号即可。例如在UCF文件中描述管脚分配的语法为：

         NET “端口名称” LOC = 引脚编号;

 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。

 

编辑约束文件

在 工程管理区中，将“Source for”设置为“Synthesis/Implementation”，然后双击过程管理区中“User Constrains”下的“Edit Constraints (Text)”就可以打开约束文件编辑器，如下图所示，就会新建当前工程的约束文件。

 

图2 用户约束管理窗口

 

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

 

3．定义设计层次
在UCF文件中，通过通配符*可以指定信号的设计层次。其语法规则为：
* 遍历所有层次
Level1/* 遍历level1及以下层次中的模块
Level1/*/ 遍历level1种的模块，但不遍历更低层的模块

例4-5 根据图4-75所示的结构，使用通配符遍历表4-3所要求的各个模块。

图 层次模块示意图

表 要求遍历的符号列表

 

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1 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;