FPGA约束文件

摘要：本文主要通过一个实例具体介绍ISE中通过编辑UCF文件来对FPGA设计进行约束，主要涉及到的约束包括时钟约束、群组约束、逻辑管脚约束以及物理属性约束。

Xilinx FPGA设计约束的分类

Xilinx定义了如下几种约束类型：

• “Attributes and Constraints”
• “CPLD Fitter”
• “Grouping Constraints”
• “Logical Constraints”
• “Physical Constraints”
• “Mapping Directives”
• “Placement Constraints”
• “Routing Directives”
• “Synthesis Constraints”
• “Timing Constraints”
• “Configuration Constraints”

通过编译UCF（user constraints file）文件可以完成上述的功能。

还是用实例来讲UCF的语法是如何的。

图1 RTL Schematic

图1 是顶层文件RTL图，左侧一列输入，右侧为输出，这些端口需要分配相应的FPGA管脚。

   1: NET "pin_sysclk_i" LOC = AD12 | TNM_NET = pin_sysclk_i;

   2: TIMESPEC TS_pin_sysclk_i = PERIOD "pin_sysclk_i" 15 ns HIGH 50 %;

   3: #

   4: NET "pin_plx_lreset_n_i"  LOC = B18;

   5: #

   6: NET "pin_plx_lhold_i"  LOC = C17;

   7: NET "pin_plx_lholda_o" LOC = D17 | SLEW = FAST;

   8: #

   9: NET "pin_plx_ads_n_i"  LOC = E18;

  10: NET "pin_plx_ads_n_i" OFFSET = IN 6.3 ns AFTER "pin_sysclk_i" HIGH;

  11: #

  12: NET "pin_plx_lw_r_n_i"  LOC = E9;

  13: NET "pin_plx_lw_r_n_i" OFFSET = IN 6.3 ns AFTER "pin_sysclk_i" HIGH;

  14: #

  15: NET "pin_plx_blast_n_i"  LOC = D18;

  16: NET "pin_plx_blast_n_i" OFFSET = IN 6.3 ns AFTER "pin_sysclk_i" HIGH;

  17: #

  18: NET "pin_plx_lad_io<0>" LOC = AD13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  19: NET "pin_plx_lad_io<1>" LOC = AC13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  20: NET "pin_plx_lad_io<2>" LOC = AC15 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  21: NET "pin_plx_lad_io<3>" LOC = AC16 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  22: NET "pin_plx_lad_io<4>" LOC = AA11 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  23: NET "pin_plx_lad_io<5>" LOC = AA12 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  24: NET "pin_plx_lad_io<6>" LOC = AD14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  25: NET "pin_plx_lad_io<7>" LOC = AC14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  26: NET "pin_plx_lad_io<8>" LOC = AA13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  27: NET "pin_plx_lad_io<9>" LOC = AB13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  28: NET "pin_plx_lad_io<10>" LOC = AA15 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  29: NET "pin_plx_lad_io<11>" LOC = AA16 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  30: NET "pin_plx_lad_io<12>" LOC = AC11 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  31: NET "pin_plx_lad_io<13>" LOC = AC12 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  32: NET "pin_plx_lad_io<14>" LOC = AB14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  33: NET "pin_plx_lad_io<15>" LOC = AA14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  34: NET "pin_plx_lad_io<16>" LOC = D12 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  35: NET "pin_plx_lad_io<17>" LOC = E13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  36: NET "pin_plx_lad_io<18>" LOC = C16 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  37: NET "pin_plx_lad_io<19>" LOC = D16 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  38: NET "pin_plx_lad_io<20>" LOC = D11 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  39: NET "pin_plx_lad_io<21>" LOC = C11 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  40: NET "pin_plx_lad_io<22>" LOC = E14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  41: NET "pin_plx_lad_io<23>" LOC = D15 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  42: NET "pin_plx_lad_io<24>" LOC = D13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  43: NET "pin_plx_lad_io<25>" LOC = D14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  44: NET "pin_plx_lad_io<26>" LOC = F15 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  45: NET "pin_plx_lad_io<27>" LOC = F16 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  46: NET "pin_plx_lad_io<28>" LOC = F11 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  47: NET "pin_plx_lad_io<29>" LOC = F12 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  48: NET "pin_plx_lad_io<30>" LOC = F13 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  49: NET "pin_plx_lad_io<31>" LOC = F14 | SLEW = FAST | TNM = LAD;

  50: TIMEGRP "LAD" OFFSET = IN 6.4 ns AFTER "pin_sysclk_i" HIGH;

  51: TIMEGRP "LAD" OFFSET = OUT 3.1 ns BEFORE "pin_sysclk_i" HIGH;

  52: #

  53: NET "pin_plx_ready_n_o" LOC = F18 | SLEW = FAST;

  54: NET "pin_plx_ready_n_o" OFFSET = OUT 4.2 ns BEFORE "pin_sysclk_i" HIGH;

  55: #

  56: NET "pin_plx_bterm_n_o" LOC = D10 | SLEW = FAST;

  57: NET "pin_plx_bterm_n_o" OFFSET = OUT 4.2 ns BEFORE "pin_sysclk_i" HIGH;

  58: #

  59: NET "pin_led_o<0>" LOC = D22;

  60: NET "pin_led_o<1>" LOC = C22;

  61: NET "pin_led_o<2>" LOC = E21;

  62: NET "pin_led_o<3>" LOC = D21;

  63: NET "pin_led_o<4>" LOC = C21;

  64: NET "pin_led_o<5>" LOC = B24;

  65: NET "pin_led_o<6>" LOC = C20;

  66: NET "pin_led_o<7>" LOC = B23;

表1. UCF example

对上面的UCF文件进行一些注释：

该UCF文件主要是完成了管脚的约束、时钟的约束，以及组的约束。

第一、二行：主要定义了时钟以及对应的物理管脚。

第一行，端口pin_sysclk_i 分配到FPGA管脚AD12，并放到了 pin_sysclk_i group中。那如何得知是AD12的管脚呢，请看图2，FPGA管脚AD12 是一个66MHz的外部时钟。FPGA的开发板肯定有电路原理图供你分配外部管脚。

图2，电路原理图

第二行：时钟说明：周期15ns，占空比50%。关键词TIMESPEC（Timing Specifications），即时钟说明。一般的语法是：
TIMESPEC "TSidentifier"=PERIOD "timegroup_name" value [units];

其中TSidentifier用来指定TS（时钟说明）的唯一的名称。

第七行：pin_plx_lholda_o 连接至物理管脚 D17， 并配置该管脚电平变化的速率。关键词：SLEW，用来定义电平变化的速率的，一般语法是：

       NET "top_level_port_name" SLEW="value";
       其中value = {FAST|SLOW|QUIETIO}, QUIETIO仅用在Spartan-3A。

第十行：定义pin_plx_ads_n_i 输入跟时钟的关系。OFFSET IN和OFFSET OUT的约束。OFFSET IN 定义了数据输入的时间和接收数据时钟沿（capture Edge）的关系。

一般的语法是：OFFSET = IN value VALID value BEFORE clock

                  OFFSET = OUT value VALID value AFTER clock

图3 时序图（OFFSET IN）

例子：
NET "SysCLk" TNM_NET = "SysClk";
TIMESPEC "TS_SysClk" = PERIOD "SysClk" 5 ns HIGH 50%;
OFFSET = IN 5 ns VALID 5 ns BEFORE "SysClk";

上面的定义了基于SysClk的全局OFFSET IN的属性。时序可看图3.

图4 时序图（OFFSET OUT）

例子：

NET "ClkIn" TNM_NET = "ClkIn";
OFFSET = OUT 5 ns AFTER "ClkIn";

上面设置主要是定了了时钟跟数据的时间关系，时序图4。可以看到这时一种全局定义，Data1 和Data2输出时间都受到 OFFSET = OUT 5 ns AFTER "ClkIn" 的约束。如果需要单独定义输出端口的OFFSET OUT的，需要制定相应的NET，可参考表1中的第57行。

第18至49行：pin_plx_lad_io<*> 被归到了名称为LAD的TMN(Timing name)，这个可以说是GROUP的约束。这样往往给约束带来方便，不用一个一个的NET 或者INST进行约束。

第50至51行：对TIMEGRP 是LAD进行OFFSET IN和OUT的定义。

在时序约束中，在这里还未提及FROM TO的约束。FROM TO的约束主要是用来两个同步模块之间的时间关系的约束。在这里不做深入的讨论。

至此，基本上把一般的UCF文件的作用进行了注释。

注：一般的时间的约束需要通过静态的时序分析，然后再设定相应PERIOD，OFFSET IN 以及OFFEET OUT等的时间参数。

当然在例子中还没有涉及到区域的约束。下面会试图说一下。

ISE进行综合后会将设计代码生成相应的逻辑网表，然后经过translate过程，转换到Xilinx特定的底层结构和硬件原语，MAP过程就是将映射到具体型号的器件上，最后就是就是布线和布局的操作了。

区域的约束相当于将布局过程中指定特定型号的器件的位置，这完全可以通过FloorPlanner的GUI界面进行设置，用图形界面设置完后，配置信息会放到UCF中，这里只介绍UCF的使用。

例如：

INST "Done" LOC = "SLICE_X32Y163" ;    #Done映射为一个寄存器，映射到SLICE_X32Y163的位置上。（32，163）相当于一个坐标，可以用FloorPlanner进行查看。
INST"BRAM4/BU2/U0/blk_mem_generator/valid.cstr/ramloop[0].ram.r/v4_init.ram/TRUE_DP.SINGLE_PRIM.TDP"LOC = "RAMB16_X2Y22" ; #RAM16的一个映射。

又例如，X,Y,Z是对应的是寄存器。现在想把它们放在一个指定的区域中,我可以这样写，

INST “X” AREA_GROUP = reg;

INST “X” AREA_GROUP = reg;

INST “X” AREA_GROUP = reg;

AREA_GROUP reg RANGE = SLICE_X1Y1 :SLICE_X1Y6;

注：如何查看INST中的名称呢？在ISE中 Timing constraints editor中可以查看。

注：NET，LOC，TNM_NET，TIMESPEC，PERIOD，OFFSET，IN，OUT，SLEW，HIGH等都是关键字，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。

其实上述都是约束的入门的内容，如果要想深入的了解的话，请参考Ref1。

 Ref：

1.Constraints Guide（10.1）,Xilinx
2.ISE 约束文件完整讲解
3.如何在FPGA设计环境中加时序约束
4.Xilinx ISE所涉及的一些命令以及Command Line的使用
5. http://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp237.pdf