FPGA时序约束理论篇之IO约束

作者:猫叔

I/O约束

I/O约束是必须要用的约束,又包括管脚约束和延迟约束。

管脚约束

管脚约束就是指管脚分配,我们要指定管脚的PACKAGE_PIN和IOSTANDARD两个属性的值,前者指定了管脚的位置,后者指定了管脚对应的电平标准。

在vivado中,使用如下方式在xdc中对管脚进行约束。

set_property -dict {PACKAGE_PIN AJ16  IOSTANDARD  LVCMOS18} [get_ports "led[0]"    ]

在Vivado规定,必须要指定管脚电平,不然在最后一步生成比特流时会出错。

除了管脚位置和电平,还有一个大家容易忽略但很容易引起错误的就是端接,当我们使用差分电平时比如LVDS,在在V6中我们使用IBUFDS来处理输入的差分信号时,可以指定端接为TRUE。

   IBUFDS #(
      .DIFF_TERM("TRUE"),       // Differential Termination
      .IOSTANDARD("DEFAULT")     // Specify the input I/O standard
   ) IBUFDS_inst (
      .O(O),  // Buffer output
      .I(I),  // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
      .IB(IB) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
   );

但在Ultrascale中的IBUFDS,却把端接这个选项去掉了

   IBUFDS #(
      .DQS_BIAS("FALSE")  // (FALSE, TRUE)
   )
   IBUFDS_inst (
      .O(O),   // 1-bit output: Buffer output
      .I(I),   // 1-bit input: Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
      .IB(IB)  // 1-bit input: Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
   );

我们必须要在xdc或I/O Pors界面中,手动指定,否则可能会出错。


笔者之前就采过一个坑,差分端口输入,当连续输入的数据为11101111这种时,中间那个0拉不下来,还是1,同样也会发生在000010000,这样就导致数据传输错误,后来才发现是端接忘记加。因为端接会影响信号的实际电平,导致FPGA判断错误。

当综合完成后,我们可以点击DRC,进行设计规则检查,这一步可以报出一些关键问题,比如时钟端口未分配在时钟引脚上等。


延迟约束

延迟约束用的是set_input_delay和set_output_delay,分别用于input端和output端,其时钟源可以是时钟输入管脚,也可以是虚拟时钟。但需要注意的是,这个两个约束并不是起延迟的作用,具体原因下面分析。

set_input_delay

这个约束跟ISE中的OFFSET=IN功能相同,但设置方式不同。下图所示即为input delay的约束说明图。


从图中很容易理解,

T_inputdelay = Tco + TD

当满足图中的时序时,最大延迟为2ns,最小延迟为1ns。

因此,需要加的时序约束为:

create_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
set_input_delay 2 -max -clock sysclk [get_ports Datain]
set_input_delay 1 -min -clock sysclk [get_ports Datain]
set_output_delay

set_output_delay的用法跟set_input_delay十分相似,这里就不再展开讲了。我们上面讲set_input_delay的描述中,大家可以看到,这个约束是告诉vivado我们的输入信号和输入时钟之间的延迟关系,跟下面要讲的时钟周期约束是一个原理,让vivado在这个前提下去Place and Route。并不是调节输入信号的延迟,因为身边有不少的FPGA工程师在没用过这个约束指令之前,都以为这是调节延迟的约束。

如果要调整输入信号的延迟,只能使用IDELAY,在V6中,IDELAY模块有32个tap值,每个tap可延迟78ps,这样总共差不多是2.5ns。

本文转自:科学计算technomania,作者:猫叔,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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