1. 偏移約束的作用

偏移約束（Offset Constraint）用來定義一個外部時鐘引腳（Pad）和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳之間的時序關(guān)系，這種時序關(guān)系也被稱為器件上的Pad-to-Setup或Clock-to-Out路徑。這些約束對與外部元器件相連的接口十分重要，在這里，需要解釋兩個術(shù)語：

Pad-to-Setup：也被稱為OFFSET IN BEFORE約束，是用來保證外部輸入時鐘和外部輸入數(shù)據(jù)的時序滿足FPGA內(nèi)部觸發(fā)器的建立時間要求的。如下圖TIN_BEFORE約束使得FPGA在進行DATA_IN和CLK_SYS布線時努力保證DATA_IN相對于CLK_SYS的延時小于TIN_BEFORE。

Clock-to-Out：也被稱為OFFSET OUT AFTER約束，是用來滿足下游器件建立保持（setup/hold）要求或輸出時鐘和數(shù)據(jù)之間時序要求的。

OFFSET IN BEFORE 或OFFSET OUT AFTER約束允許用戶指定外部輸入或輸出引腳相對于時鐘邊沿到內(nèi)部數(shù)據(jù)的延時。

1?1 輸入偏移約束時序參考圖

1?2 輸出偏移約束時序參考圖

Xilinx FPGA有三個層次的約束：

Global OFFSET：為所有輸入或輸出指定相對某個特定時鐘的約束；

Group OFFSET：為一組輸入或者輸出指定相對驅(qū)動他們的時鐘的約束

Net-Specific OFFSET：為某個特定的輸入或者輸出指定相對其驅(qū)動時鐘的約束；

在進行約束的詳細講解之前，必須明確兩個概念：

建立時間setup time

指在觸發(fā)器始終上升沿到來之前，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的時間，如果建立時間不夠，數(shù)據(jù)將不能被打入觸發(fā)器；

保持時間hold time

指觸發(fā)器的時鐘上升沿到來之后數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定不變的時間，如果保持時間不夠，數(shù)據(jù)不能被打入觸發(fā)器；

1?3 建立保持時間時序圖

2. OFFSET IN約束

OFFSET IN約束用來設(shè)定Pad-to-Setup時序要求。OFFSET IN是對數(shù)據(jù)時鐘關(guān)系的一種說明。它當(dāng)分析建立時間要求（data_delay+setup-clock_delay-clock_arrival要求滿足約束條件）的時候，需要考慮時鐘延時（clock delay）、時鐘邊沿（clock edge）、DLL/DCM引入的時鐘相位。

2.1. OFFSET IN BEFORE 約束

OFFSET IN BEFORE約束限定了數(shù)據(jù)從引腳傳播到同步元件并在同步元件建立起來的所需的時間。比如 “OFFSET = IN 2 ns BEFORE clock_pad”這個約束，限定數(shù)據(jù)必須在下一個時鐘邊沿到來之前2ns內(nèi)讀取，因此FPGA會規(guī)劃使得數(shù)據(jù)相對時鐘邊沿的超前2ns之內(nèi)。

2?1 OFFSET IN BEFORE約束帶校準功能的電路

上圖FPGA在布線時會盡力去滿足如下不等式：

TData + TSetup - TClock 《= Toffset_IN_BEFORE；

2.1.1. VALID約束

OFFSET IN約束往往和VALID約束一起使用。OFFSET IN約束在建立時間分析中作為建立時間要求使用，而VALID約束在保持時間約束中作為保持時間要求使用。VALID約束指定了輸入數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。在默認情況下，F(xiàn)PGA指定VALID和OFFSET的值相等，也即FPGA在默認情況下認為保持時間為0。

2?2 帶有VALID約束的輸入偏移約束

2.1.2. OFFSET IN約束的一個簡單例子

FPGA的分析工具在綜合時經(jīng)常會用到一個詞：Slack，即松弛時間，當(dāng)Slack》0時，該路徑設(shè)計滿足時序要求；當(dāng)Slack《0時，該路徑不滿足時序要求。

Slack = （Requirement - （Data Path - Clock Path - Clock Arrival））

2?3 OFFSET IN的簡單例子時序

該約束為：

TIMESPEC TS_clock = PERIOD clock_grp 10 ns HIGH 50%；

OFFSET = IN 3 ns BEFORE clock；

2?4 OFFSET IN約束時序報告

從時序約束報告的Slack的值可以看出，Data不能被Clock成功打入觸發(fā)器FF0.

2.2. OFFSET IN AFTER約束

OFFSET IN AFTER和OFFSET IN BEFORE在本質(zhì)上是一樣的，只是形式上不一樣，其約束效果是完全一樣的。OFFSET IN AFTER的約束公司如下：

TData + TSetup - TClock 《= TPeriod – Toffset_IN_AFTER；

3. OFFSET OUT約束

OFFSET OUT約束用來定義clock-to-pad時序要求。OFFSET OUT約束是對外部clock-to-data的說明并且必須考慮clock_delay、clock edge和DLL/DCM時鐘相位等。

3.1. OFFSET OUT AFTER約束

OFFSET OUT AFTER約束定義了數(shù)據(jù)從同步元件傳播到管腳最長允許時間。可以形象地理解為時鐘邊沿到達器件邊界時數(shù)據(jù)離開器件邊界的時間。“OFFSET = OUT 2 ns AFTER clock_pad”約束意思是從FPGA數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)较掠纹骷臄?shù)據(jù)在參考時鐘2ns之后一定可讀。

3?1 OFFSET OUT AFTER約束帶校準功能的電路

下面公式規(guī)定了數(shù)據(jù)時鐘的這種關(guān)系：

TQ + TClock2Out + TClock 《= Toffset_OUT_AFTER；

OFFSET OUT AFTER約束沿著參考時鐘路徑和數(shù)據(jù)路徑的最大延時不超過偏移值。

3.1.1. OFFSET OUT AFTER約束的一個簡單例子

同樣的，OFFSET OUT的Slack也定義了輸出約束的松弛時間：

Slack = （Requirement - （Clock Arrival + Clock Path + Data Path））

3?2 OFFSET OUT 約束的簡單例子

其約束應(yīng)寫為：

TIMESPEC TS_clock = PERIOD clock_grp 10 ns HIGH 50%；

OFFSET = OUT 3 ns AFTER clock；

3?3 OFFSET OUT 時序約束報告

時序報告中Slack=-0.865ns，不滿足時序約束要求。

3.2. OFFSET OUT BEFORE約束

同樣地，OFFSET OUT BEFORE和OFFSET OUT AFTER約束本質(zhì)上沒有什么不同，只是形式上的不一樣的，其約束效果完全一樣。

審核編輯 ：李倩