VIVADO时序约束之Input Delay(set_input_delay)

前言

I/O Delay约束主要有两个命令：set_input_delay和set_output_delay。

I/O Delay约束的主要目的同时钟约束一样，是告诉编译器，外部输入输出信号与参考时钟之间的相位关系，便于综合器能够真实和准确的对IO接口的信号进行时序分析，同时也有利于综合器的布局布线。

注意：I/O Delay约束和 IDELAYE、ODELAYE原语是完全不同的，前者是用于编译器进行时序分析的，后者是对数据进行延时的（由于建立时间和保持时间不满足，导致在接收数据有错时，需要对数据进行延迟，以满足建立时间和保持时间）。换言之，前者是时序分析手段，后者是电路调试手段。

一、input delay

输入信号是在时钟沿后多长时间到达模块的port上

"set_input_delay"命令是用于指定输入端口(PIN)的数据输入相对于设计中参考时钟边沿的延迟。 输入延迟值以ns为指定单位，可以为正值，也可以为负值，具体取决于设备接口处的时钟和数据的相对相位关系。

这里特别强调的是FPGA芯片的PIN到内部IOB是有pin delay的，但是set_input_delay指定的延迟是不包含pin delay的值。即set_input_delay所指的延迟是下图中Tco+td_bd-Tc_d-tc_bd的值。

说明：
上图为IO接口的时序分析模型，模型可分为3部分，分别是上游芯片，PCB走线，下游芯片（这里主要指FPGA）。上图中的时序参数含义分别如下：

时序参数	含义
Tco	上游芯片输出数据管脚相较于扇出节点时钟发射沿延时
Tc_d	上游器件输出管脚处时钟，相较于扇出节点时钟延时
Td_bd	数据在PCB上的走线延时
Tc_bd	时钟在PCB上的走线延时
pin_delay	FPGA的封装引脚pin到内部IOB的延迟
Td_fi	FPGA内部数据通路上，IOB到FPGA内部D触发器的路径延迟
Tc_fi	FPGA内部随路时钟通路上，IOB到FPGA内部D触发set_input_delayinput_delay

二、set_input_delay语法

set_input_delay  [-clock ] [-reference_pin ] [-clock_fall] [-rise]
                 [-fall] [-max] [-min] [-add_delay] [-network_latency_included]
                 [-source_latency_included] [-quiet] [-verbose] 
                 

选项	含义
-clock	相对时钟，默认使用上升沿，也可以使用-clock_fall指定使用下降沿
-reference_pin	指定延迟与出现在指定引脚或端口上的时钟的有效边沿有关，而不是与时钟有关。
-clock_fall	指定延迟是相对于时钟的下降沿
-rise	指定应用于指定端口上的上升转换的输入延迟。 默认是对上升和下降转换应用延迟（用于指定数据的，非时钟的）。
-fall	指定应用于指定端口上的下降转换的输入延迟。 默认是对上升和下降转换应用延迟（用于指定数据的，非时钟的）。
-max	表示指定的输入延迟仅在计算最大（最长）路径延迟时使用（建立时间）。
-min	表示指定的输入延迟仅在计算最小（最短）路径延迟时使用（保持时间）。
-add_delay	将指定的延迟约束添加到端口，以与端口上已定义的任何其他 set_input_delay 约束共存。 默认行为是替换现有的延迟。
-network_latency_included	表示参考时钟的时钟网络延迟包含在延迟值中。 除非指定的输入或输出延迟值包括源延迟或网络延迟，否则 Vivado 时序分析器会考虑在时钟延迟之后到达捕获触发器的时钟边沿。
-source_latency_included	指示相对时钟的源延迟包含在指定的延迟值中。
-quiet	忽略命令错误
-verbose	命令执行期间暂停消息限制
delay	延时值
objects	端口列表

三、用法举例

示例一： 创建一个时钟周期为10ns的sysClk 时钟，然后设定端口DIN相对于时钟sysClk 上升沿的最大和最小延迟为2ns：

create_clock -name sysClk -period 10 [get_ports CLK0]
set_input_delay -clock sysClk 2 [get_ports DIN]

示例二： 创建一个虚拟时钟clk_port_virt ，周期为10ns，然后设定端口DIN相对于时钟clk_port_virt 下降沿的最大和最小延迟为2ns：

 create_clock -name clk_port_virt -period 10
 set_input_delay -clock_fall -clock clk_port_virt 2 [get_ports DIN]

示例三： 定义输入端口reset相对于wbClk_IBUF_BUFG_inst/O输出的时钟的输入延迟为2ns，其中wbClk_IBUF_BUFG_inst/O输出时钟的时钟源为wbClk：

set_input_delay -clock wbClk 2 -reference_pin [get_pin wbClk_IBUF_BUFG_inst/O] reset  

示例四： 定义输入端口DIN相对时钟sysClk不同的相对延迟，用于最大路径分析和最小路径分析：

create_clock -name sysClk -period 10 [get_ports CLK0]
set_input_delay -clock sysClk -max 4 [get_ports DIN]
set_input_delay -clock sysClk -min 1 [get_ports DIN]

示例五： 限制I/O端口之间的纯组合逻辑路径，首先定义一个虚拟时钟，用于约束输入和输出延迟，例如设定DIN端口到DOUT端口的纯组合逻辑的延迟为5ns（10ns-1ns-4ns）:

create_clock -name sysClk -period 10 [get_ports CLK0]
set_input_delay -clock sysClk 4 [get_ports DIN]
set_output_delay -clock sysClk 1 [get_ports DOUT]

示例六： DDR数据的input delay约束：

create_clock -name clk_ddr -period 6 [get_ports DDR_CLK_IN]
set_input_delay -clock clk_ddr -max 2.1 [get_ports DDR_IN]
 set_input_delay -clock clk_ddr -max 1.9 [get_ports DDR_IN] -clock_fall -add_delay
 set_input_delay -clock clk_ddr -min 0.9 [get_ports DDR_IN]
 set_input_delay -clock clk_ddr -min 1.1 [get_ports DDR_IN] -clock_fall -add_delay

示例七： 对STARTUPE3 内部pin（UltraScale+器件）的input delay约束：

//重命名STARTUP/CCLK自动衍生的时钟名为clk_sck，时钟源为axi_quad_spi_0/ext_spi_clk，频率为时钟源的1/2
create_generated_clock -name clk_sck -source [get_pins -hierarchical *axi_quad_spi_0/ext_spi_clk] [get_pins STARTUP/CCLK] -edges {3 5 7}
set_input_delay -clock clk_sck -max 7 [get_pins STARTUP/DATA_IN[*]] -clock_fall
set_input_delay -clock clk_sck -min 1 [get_pins STARTUP/DATA_IN[*]] -clock_fall

四、实操演示

以SiI9293 MHL/HDMI接收器芯片为例，利用vivado的时序约束向导进行input delay约束，下图为硬件环境模型：

通过查阅SiI9293的芯片资料手册，可以获取芯片并行数据输出接口Q和随路时钟ODCK之间的时序关系：

时序约束中假设PCB布线等长时间差很小，可以忽略不计，由上可知在148.5MHz的频率下，数据在时钟上升沿前4.2ns稳定，并在时钟上升沿后的0.4ns后，开始输出下一个并行数据，结合vivado的时序约束向导中的input delays 页面，进行输入延时约束：

界面中tco_min对应的延时值为手册中的Tck2out(min)，tco_max 对应芯片手册中的Tck2out(max)
vivado的时序约束向导中的input delays约束方法2：

界面中dv_bre对应的延时值为手册中的Tsu，dv_are 对应芯片手册中的Thd
XDC约束语法如下：

set_input_delay -clock [get_clocks {sli9293_odck}] -min 0.4 [get_ports {sli9293_q[*]}]
set_input_delay -clock [get_clocks {sli9293_odck}] -max 2.534 [get_ports {sli9293_q[*]}]

五、总结

min = hold time
max = T - setup time
max - min = 数据抖动时间