原创 【博客大赛】6. Input Delay Constraints实例一(Timing Constraints in Vivado)

       在《5. Constraining Input Delay》博文中，深入讲解了如何分析输入端口到FPGA内部时序单元的路径，并且对input delay进行约束。这一节介绍input delay约束实例，加深一下对上节中理论的理解。

       如图1所示系统，以太网PHY芯片与FPGA相连，分为三组接口：

       RX接口：时钟RXCK和数据RXD；

       TX接口：时钟TXCK和数据TXD；

       MII管理接口：时钟MDC和数据MDIO。

图1

       其中RX接口属于源同步输入接口，以下就以RX接口为例讲解一下约束input delay：

Clock Constraints：

       首先约束时钟，如图2所示为PHY（DP83849ID）在100Mb/s模式下的时序图，时钟和数据为Center Aligned关系，因此时钟在FPGA中无需再移相，可直接使用RXCK采集数据，时钟约束如下：

create_clock –name RXCK –period 40 –waveform {0 20} [get_ports {RXCK}]

图2

Input Delay Value:

       根据上节中源同步输入计算Input Delay的公式：

       max_input_delay = T_{bd_max} + T_{co_max} - T_{cd_min}

       min_input_delay = T_{bd_min} + T_{co_min} - T_{cd_max}

       T_bd为数据线RXD在板上的延时，也就是信号在电路板上的传播时间。查找了网上的一些资料：

“信号速度还与不同材料的介电常数相关，具体计算公式是   V=C/Er^0.5    ，其中Er是信号线周围材料的相对介电常数。我们常见的PCB材料Fr4的介电常数在4.2-4.5左右，为了计算方便我们取4。带入公式可以算出，Fr4材料制作的PCB板上面信号的传输速度是光速的二分之一。光速大约等于12inch/ns,计算得出Fr4板上信号速度大约是6inch/ns。换算成延时，也就是166ps/inch。这就是我们经常说的PCB板上信号延时大约是166ps/inch。”

       在此例中，通过PCB设计软件计算得到RXD[3:0]的走线长度，分别是L_RXD[3]=426mil，L_RXD[2]=451mil，L_RXD[1]=502mil，L_RXD[0]=406mil，因此可以计算得到：

       T_{bd_max} = 502mil * 166ps/inch = 0.083332ns

       T_{bd_min} = 406mil * 166ps/inch = 0.067396ns

       T_cd为时钟线RXCK在板上的延时，走线长度L_RXCK=399mil，因此可以计算得到：

       T_{cd_max}=T_{cd_min}=399mil * 166ps/inch = 0.066234ns

       T_co为RX接口clock_to_output时间，如图2中，等于T2.5.2时间参数，因此可得到：

       T_{co_max} = 30ns

       T_{co_min} = 10ns

       综上：

       max_input_delay = T_{bd_max} + T_{co_max} - T_{cd_min} = 0.083332ns + 30ns - 0.066234ns = 30.017098ns

       min_input_delay = T_{bd_min} + T_{co_min} - T_{cd_max} = 0.067396ns + 10ns - 0.066234ns = 10.001162ns

Constraints：

       很显然，RX接口为SDR，时钟约束和input delay值的计算后，可以对input delay进行约束，命令如下：

set_input_delay -clock [get_clocks RXCK] -max 30.017098 [get_ports {RXD[3] RXD[2] RXD[1] RXD[0]}]

set_input_delay -clock [get_clocks RXCK] -min 10.001162 [get_ports {RXD[3] RXD[2] RXD[1] RXD[0]}]

       在Vivado的GUI界面中也可以进行约束，设计经过综合实现后，打开编辑约束文件，如图3所示

图3

       选择Set Input Delay，在右侧双击，可弹出Input Delay设置窗口，如图4所示

图4

       在弹出的Input Delay窗口中设置参数，如图5，6所示，Input Delay约束完成。

图5

图6