FPGA时序约束与分析（1） --- 时序约束概述

本系列参考文献 — FPGA时序与约束分析-吴厚航

FPGA从综合到实现需要的过程如下：synth_design -> opt_design -> place-design -> phys_opt_design -> route_design

1、时序约束的理解
2、时序约束的基本路径
3、时序约束的步骤
4、时序约束的主要方法
5、查看相关时序信息

1、时序约束的理解

FPGA的设计约束分为物理约束和时序约束：

• 物理约束主要包括 I/O 接口约束，布局约束，布线约束以及配置约束。其中 I/O 接口约束主要为引脚分配、电平标准设定等物理属性的约束。
• 时序约束是涉及FPGA内部的各种逻辑或走线的延时，反应系统的频率和速度的约束。

FPGA实现时序约束与分析的流程可以定义为：

1. 提出时序要求：设计者根据实际的系统功能，通过时序约束的方式提出时序要求；
2. 根据要求布线：FPGA编译工具根据设计者的时序要求，进行布局布线；
3. 给出时序报告：编译完成后，FPGA编译工具针对布局布线的结果，套用特定的时序模型给出最终的时序分析和报告。
4. 根据报告修改时序设计：设计者通过查看时需报告，确定布局布线后的时序结果是否满足者及要求。

时序约束中的欠约束和过约束：

• 欠约束：约束的过松，约束要求比实际要求低；
• 过约束：约束的过紧，约束要求比实际要求高。

2、时序约束的基本路径

时序约束所覆盖的时序路径主要有一下4类：

1. reg2reg，FPGA内部寄存器之间的时序路径；
2. pin2reg，输入引脚到FPGA内部寄存器的时序路径；
3. reg2pin，FPGA内部寄存器到输出引脚的时序路径；
4. pin2pin，输入引脚到输出引脚之间的时序路径（不通过寄存器）。
   

3、时序约束的步骤

时序约束通常分为4个主要步骤：时钟约束 —> 输入/输出接口约束 —> 时钟分组和跨时钟约束 —> 时序例外约束。

4、时序约束的主要方法

注意： 时序约束辅助工具或者相关的TCL命令，都必须在 open synthesis design / open implemention design 后才能有效运行。本章示例中在synthesis和implemention目录下操作一样。

（1）、GUI

 1）、时序约束向导

时序约束向导首次打开，需要选定时序约束的目标XDC文件，流程如下图。

已有目标xdc文件后，打开时序约束向导，在弹出的窗口点击next后，按照 primary clocks/generated clocks等时钟顺序一页一页显示添加约束。会显示当前需要添加约束的部分时钟（只显示get_port，pins和nets不显示）以及已经约束的时钟。

 2）、时序约束编辑器

  时序约束编辑器打开方法见下图。在时序约束界面可以按照左边的Clocks分组添加时钟约束。

详细时钟添加流程见下图：

如果当前没有指定目标约束文件，在点击保存会弹出下图界面，只要选定目标文件即可。

（2）、手动输入约束

在.xdc文件中进行编辑。在 vivado 的 Language Templates 中，有基本语法模板。

5、查看相关时序信息

相关tcl命令见下图：

(1）识别设计时钟
  查看所有时钟：report_clock_networks（Tcl），打印已约束和未约束的所有时钟。
  时序确认报告： check_timing（Tcl），打印工程基本信息以及12条check timming。这12条报告中，可以确认当前工程的时序约束状态，明确有多少路径目前没有被约束。
(2）查看时钟信息：
  查看已约束时钟的详细信息： report_clocks（Tcl）打印包含时钟周期在内的的所有时钟信息。
  查看是否有 unsafe 时钟：report_clock_interaction（Tcl） 或 Implentation- Report Clock Interaction（推荐）。
  查看时序约束状态：report_timing_summary （Tcl）或者 Implentation- report timing summary （推荐）或者直接 open implemented design ，查看 Timing 窗口，主要查看WNS、TNS、WHS、THS、WPWS、TPWS这6个参数，参数具体含义及标红报错修改方法见后续文章。