使用模板創(chuàng)建輸入輸出接口時序約束的竅門

時序約束中的

set_input_delay/set_output_delay約束一直是一個難點，無論是概念、約束值的計算，還是最終的路徑分析，每一次都要費一番腦子。Vivado為方便用戶創(chuàng)建輸入輸出接口的約束，整理出了一套非常實用的InputDelay/Output Delay Constraints Language Templates。只需根據(jù)接口信號的特征匹配到對應(yīng)的template分類，就可以輕松套用模板中的公式創(chuàng)建約束。

本文將通過3個例子來展示，如何精確找到匹配的template。

01Input Delay/Output Delay Constraints Language Template

首先來介紹下Vivado的language Template。在Vivado GUI界面下，Tools菜單里即可打開Language Template。下圖紅框部分即InputDelay/Output Delay Constraints部分的模板

02模板分類目錄中的關(guān)鍵字

1. System Synchronous（系統(tǒng)同步）和Source Synchronous（源同步）

System Synchronous：兩個 device 之間進(jìn)行通信時，使用一個共用時鐘，用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

Source Synchronous：兩個 device 間進(jìn)行通信時，發(fā)送端生成一個伴隨發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘信號。接收端利用該隨路時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

2. SDR 和 DDR

SDR：singledata rate。一個時鐘周期只傳輸一個 data。

DDR：doubledata rate。一個時鐘周期傳輸兩個 data。

3. Center-Aligned 和 Edge-Aligned

Center-Aligned 中心對齊，指時鐘的采樣沿 (capture edge) 處于對應(yīng)數(shù)據(jù)有效窗口的中心位置附近。

Edge-Aligned 邊沿對齊，指時鐘的采樣沿處于對應(yīng)數(shù)據(jù)的起始或結(jié)束位置附近.

03Template的內(nèi)容

我們以"InputDelay Constraints -> Source Synchronous -> Center-Aligned -> SDR, Rising Edge"模板為例，看看模板的具體內(nèi)容。

每個模板開頭都有個波形圖，描述這個模板對應(yīng)的接口 data 與 clock 之間的時序關(guān)系。后面我們會講，這個時序圖將是精準(zhǔn)匹配模板的關(guān)鍵。

波形圖里標(biāo)示的參數(shù) dv_bre,dv_are，是用來代入約束模板里面的公式計算 -max 和 -min 的約束值。因此匹配了正確的模板，確定了波形圖里的參數(shù)值，就可以套用公式完成約束的創(chuàng)建。

04匹配模板的法寶 - 波形圖

那么問題來了，去哪里找接口信號的波形圖？

模板里用來計算的參數(shù)如何確定呢？

答案: 對端器件的 Datasheet

Inputdelay 和 output delay 約束提供給 Vivado工具的信息，是 FPGA 外部電路上的時序數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)跟 FPGA 內(nèi)部電路上的時序信息（這部分工具已知）相結(jié)合才能完整地分析整條路徑是否滿足終點器件的建立時間和保持時間。

Inputdelay 約束的創(chuàng)建依賴 FPGA 上游器件的 Datasheet；Output delay 約束的創(chuàng)建依賴下游器件的 Datasheet。

我們以 LTC2000A-11 DAC 器件的 Datasheet 為例：https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/2000afb.pdf

我們需要的波形圖通常在 Datasheet 的 Timing Diagram 部分，而用來計算的參數(shù)通常在Timing Characteristics 部分。

對于前面講解的模板的三種分類目錄，SystemSynchronous/Source Synchronous 以及SDR/DDR 的區(qū)分相對容易，而 Center-Aligned 和 Edge-Aligned 如何得知呢？

這就依賴于對端器件的 Datasheet 中的 Timing 波形圖。

我們來看幾個例子：

例一:

這是一個 SourceSynchronous 的 DDR 接口，需要約束 Dx 數(shù)據(jù)的 inputdelay，時鐘為DCO。下圖為上游器件 Datasheet 中的TimingDiagram，其中tDATA的范圍是1.3ns~1.9ns。

從圖中可以看出時鐘采樣沿大致在 Data 的中心，因此是 Center-Aligned。那么這個數(shù)據(jù)接口符合 SourceSynchronous --> Center-Aligned --> DDR 模板。

這個模板需要 dv_bre 等4個參數(shù)，如何確定呢？我們只需將 Datasheet 里的原波形圖做一點細(xì)化改動，就可以與模板里的波形圖完美匹配了。

t_DATA之所以是一個范圍值，就是因為 data 是有“有效數(shù)據(jù)”（datavalid）和“無效數(shù)據(jù)”（陰影部分）窗口的。把原波形圖畫出陰影部分就一目了然了。

因此，

dv_bfe = dv_bre = tDATA_MIN = 1.3ns

dv_afe = dv_are = tDATA_MAX = (? Period – 1.9)ns

例二、

從下面這個 Datasheet 里的波形圖可以看出，這是一個 SourceSynchronous Edge-Aligned DDR 接口，需要創(chuàng)建 DQ 的 input delay 約束，時鐘是 DQS

這個例子比較直觀，直接匹配 SourceSynchronous ->Edge-Aligned -> DDR 模板

其中

skew_bre = skew_bfe = ? Period - t_QH

skew_are = skew_afe = t_DQSQ

例三、

這個例子也是 SourceSynchronous，是從前面的 LTC2000A-11DAC 器件的 Datasheet 中提取出來的，需要創(chuàng)建 DAP/N的outputdelay 約束，隨路時鐘是DCKI。其中t₁₁參數(shù)為0.057ns，t₁₂參數(shù)為-0.017ns

Output delay 模板的分類不同于 Inputdelay，分為 Skew Based 和 Setup/HoldBased。仔細(xì)分析模板內(nèi)容不難看出，兩者之間的差別是看對端器件 Datasheet 里提供的數(shù)據(jù)與時鐘之間關(guān)系的參數(shù)值是 Skew 形式還是 Setup/Hold 形式

本例中t₁₁，t₁₂是Setup/Hold值，因此匹配 SourceSynchronous -> Setup/Hold Based -> DDR 模板。

其中

tsu_r = tsu_f = t₁₁

thd_r = thd_f = t₁₂

希望通過這三個例子，能夠幫助大家找到使用模板創(chuàng)建輸入輸出接口時序約束的竅門。