ISE约束--UCF编辑的入门介绍

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。XilinxFPGA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 LOC = AD13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 19: NET pin_plx_lad_io LOC = AC13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 20: NET pin_plx_lad_io LOC = AC15 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 21: NET pin_plx_lad_io LOC = AC16 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 22: NET pin_plx_lad_io LOC = AA11 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 23: NET pin_plx_lad_io LOC = AA12 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 24: NET pin_plx_lad_io LOC = AD14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 25: NET pin_plx_lad_io LOC = AC14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 26: NET pin_plx_lad_io LOC = AA13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 27: NET pin_plx_lad_io LOC = AB13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 28: NET pin_plx_lad_io LOC = AA15 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 29: NET pin_plx_lad_io LOC = AA16 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 30: NET pin_plx_lad_io LOC = AC11 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 31: NET pin_plx_lad_io LOC = AC12 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 32: NET pin_plx_lad_io LOC = AB14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 33: NET pin_plx_lad_io LOC = AA14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 34: NET pin_plx_lad_io LOC = D12 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 35: NET pin_plx_lad_io LOC = E13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 36: NET pin_plx_lad_io LOC = C16 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 37: NET pin_plx_lad_io LOC = D16 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 38: NET pin_plx_lad_io LOC = D11 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 39: NET pin_plx_lad_io LOC = C11 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 40: NET pin_plx_lad_io LOC = E14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 41: NET pin_plx_lad_io LOC = D15 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 42: NET pin_plx_lad_io LOC = D13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 43: NET pin_plx_lad_io LOC = D14 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 44: NET pin_plx_lad_io LOC = F15 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 45: NET pin_plx_lad_io LOC = F16 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 46: NET pin_plx_lad_io LOC = F11 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 47: NET pin_plx_lad_io LOC = F12 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 48: NET pin_plx_lad_io LOC = F13 | SLEW = FAST | TNM = LAD; 49: NET pin_plx_lad_io 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 LOC = D22; 60: NET pin_led_o LOC = C22; 61: NET pin_led_o LOC = E21; 62: NET pin_led_o LOC = D21; 63: NET pin_led_o LOC = C21; 64: NET pin_led_o LOC = B24; 65: NET pin_led_o LOC = C20; 66: NET pin_led_o 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：TIMESPECTSidentifier=PERIODtimegroup_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：NETtop_level_port_nameSLEW=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=INvalueVALIDvalueBEFOREclockOFFSET=OUTvalueVALIDvalueAFTERclock图3 时序图（OFFSET IN）例子：NETSysCLkTNM_NET= SysClk;TIMESPECTS_SysClk =PERIODSysClk 5 nsHIGH50%;OFFSET=IN5 nsVALID5 nsBEFORESysClk;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：NETClkInTNM_NET= ClkIn;OFFSET=OUT5 nsAFTERClkIn;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=OUT5 nsAFTERClkIn 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：INSTDoneLOC= 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。INSTBRAM4/BU2/U0/blk_mem_generator/valid.cstr/ramloop0.ram.r/v4_init.ram/TRUE_DP.SINGLE_PRIM.TDPLOC= 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_GROUPregRANGE= 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。笔者也是初学者，如果有什么不对的地方，请批评指正。ISE 约束文件的基本操作 1约束文件的概念 FPGA设计中的约束文件有3类：用户设计文件（.UCF文件）、网表约束文件（.NCF文件）以及物理约束文件（.PCF文件），可以完成时序约束、管脚约束以及区域约束。3类约束文件的关系为：用户在设计输入阶段编写UCF文件，然后UCF文件和设计综合后生成NCF文件，最后再经过实现后生成PCF 文件。本节主要介绍UCF文件的使用方法。 UCF文件是ASC 2码文件，描述了逻辑设计的约束，可以用文本编辑器和Xilinx约束文件编辑器进行编辑。NCF约束文件的语法和UCF文件相同，二者的区别在于： UCF文件由用户输入，NCF文件由综合工具自动生成，当二者发生冲突时，以UCF文件为准，这是因为UCF的优先级最高。PCF文件可以分为两个部分：一部分是映射产生的物理约束，另一部分是用户输入的约束，同样用户约束输入的优先级最高。一般情况下，用户约束都应在UCF文件中完成，不建议直接修改 NCF文件和PCF文件。 2创建约束文件 约束文件的后缀是.ucf，所以一般也被称为UCF文件。创建约束文件有两种方法，一种是通过新建方式，另一种则是利用过程管理器来完成。 第一种方法：新建一个源文件，在代码类型中选取“Implementation Constrains File”，在“File Name”中输入“one2two_ucf”。单击“Next”按键进入模块选择对话框，选择模块“one2two”，然后单击“Next”进入下一页，再单击“Finish”按键完成约束文件的创建。 第二种方法：在工程管理区中，将“Source for”设置为“Synthesis/Implementation”。“Constrains Editor”是一个专用的约束文件编辑器，双击过程管理区中“User Constrains”下的“Create Timing Constrains”就可以打开“Constrains Editor”，其界面如图所示： 图 启动Constrains Editor引脚约束编辑在“Ports”选项卡中可以看到，所有的端口都已经罗列出来了，如果要修改端口和FPGA管脚的对应关系，只需要在每个端口的“Location”列中填入管脚的编号即可。例如在UCF文件中描述管脚分配的语法为： NET “端口名称” LOC = 引脚编号; 需要注意的是，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。 3编辑约束文件 在工程管理区中，将“Source for”设置为“Synthesis/Implementation”，然后双击过程管理区中“User Constrains”下的“Edit Constraints (Text)”就可以打开约束文件编辑器，如下图所示，就会新建当前工程的约束文件。图 用户约束管理窗口 UCF文件的语法说明 1语法 UCF文件的语法为： NET|INST|PIN signal_name Attribute; 其中，“signal_name”是指所约束对象的名字，包含了对象所在层次的描述；“Attribute”为约束的具体描述；语句必须以分号“；”结束。可以用“#”或“/* */”添加注释。需要注意的是：UCF文件是大小写敏感的，信号名必须和设计中保持大小写一致，但约束的关键字可以是大写、小写甚至大小写混合。例如： NET CLK LOC = P30; “CLK”就是所约束信号名，LOC = P30；是约束具体的含义，将CLK信号分配到FPGA的P30管脚上。 对于所有的约束文件，使用与约束关键字或设计环境保留字相同的信号名会产生错误信息，除非将其用 括起来，因此在输入约束文件时，最好用 将所有的信号名括起来。 2通配符 在UCF文件中，通配符指的是“*”和“?”。“*”可以代表任何字符串以及空，“?”则代表一个字符。在编辑约束文件时，使用通配符可以快速选择一组信号，当然这些信号都要包含部分共有的字符串。例如： NET *CLK? FAST; 将包含“CLK”字符并以一个字符结尾的所有信号，并提高了其速率。 在位置约束中，可以在行号和列号中使用通配符。例如： INST /CLK_logic/* LOC = CLB_r*c7; 把CLK_logic层次中所有的实例放在第7列的CLB中。 3定义设计层次 在UCF文件中，通过通配符*可以指定信号的设计层次。其语法规则为： * 遍历所有层次 Level1/* 遍历level1及以下层次中的模块 Level1/*/ 遍历level1种的模块，但不遍历更低层的模块 例4-5 根据图4-75所示的结构，使用通配符遍历表4-3所要求的各个模块。图 层次模块示意图 表 要求遍历的符号列表 管脚和区域约束语法 LOC约束是FPGA设计中最基本的布局约束和综合约束，能够定义基本设计单元在FPGA芯片中的位置，可实现绝对定位、范围定位以及区域定位。此外， LOC还能将一组基本单元约束在特定区域之中。LOC语句既可以书写在约束文件中，也可以直接添加到设计文件中。换句话说，ISE中的FPGA底层工具编辑器（FPGA Editor）、布局规划器（Floorplanner）和引脚和区域约束编辑器的主要功能都可以通过LOC语句完成。 LOC语句语法INST instance_name LOC = location; 其中“location”可以是FPGA芯片中任一或多个合法位置。如果为多个定位，需要用逗号“,”隔开，如下所示： LOC = location1,location2,.,locationx; 目前，还不支持将多个逻辑置于同一位置以及将多个逻辑至于多个位置上。需要说明的是，多位置约束并不是将设计定位到所有的位置上，而是在布局布线过程中，布局器任意挑选其中的一个作为最终的布局位置。 范围定位的语法为： INST “instance_name” LOC=location:location SOFT; 常用的LOC定位语句如表4-4所列。表 常用的LOC定位语句 使用LOC完成端口定义时，其语法如下： NET Top_Module_PORT LOC = Chip_Port; 其中，“Top_Module_PORT”为用户设计中顶层模块的信号端口，“Chip_Port”为FPGA芯片的管脚名。 LOC语句中是存在优先级的，当同时指定LOC端口和其端口连线时，对其连线约束的优先级是最高的。例如，在图4-76中，LOC=11的优先级高于LOC=38。 图 LOC优先级示意图 2LOC属性说明 LOC语句通过加载不同的属性可以约束管脚位置、CLB、Slice、TBUF、块RAM、硬核乘法器、全局时钟、数字锁相环（DLL）以及DCM模块等资源，基本涵盖了FPGA芯片中所有类型的资源。由此可见，LOC语句功能十分强大，表4-5列出了LOC的常用属性。 表 LOC语句常用属性列表