Adam Taylor玩轉(zhuǎn)MicroZed系列74：物理約束

AdamTaylor玩轉(zhuǎn)MicroZed系列74：物理約束研究了相關(guān)的時(shí)序約束后，在設(shè)計(jì)中我們也不能忽視所能運(yùn)用到的物理約束。一個(gè)工程師最常用的物理約束是I/O管腳的放置和與每個(gè)I/O腳相關(guān)的參數(shù)定義（標(biāo)準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)能力等）。然而，還有其它類型的物理約束：

?放置約束——定義元件位置

?布線約束——定義信號(hào)布線

?I/O腳約束——定義I/O腳位置和I/O腳參數(shù)

?配置約束——定義配置方法按照慣例，有一些約束獨(dú)立于這些組之外。Vivado套件有三個(gè)約束，并且主要用于網(wǎng)表：

?DONT_TOUCH——用來(lái)防止優(yōu)化。在實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格安全和高度可靠系統(tǒng)方面有很大的作用。

?MARK_DEBUG——用來(lái)保留一個(gè)RTL以便將來(lái)調(diào)試使用正如上面提到的，最常用的約束同I/O腳放置及其配置相關(guān)。這些設(shè)置選項(xiàng)在較大的系統(tǒng)和硬件中有很重要的影響。總而言之，它們是操作起來(lái)很敏感的地方。在FPGA上，I/O的管腳放置同時(shí)使用了用來(lái)定位物理管腳位置的放置約束和來(lái)配置I/O口屬性（例如I/O口標(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換率等）的I/O口約束?，F(xiàn)代FPGA可以支持一定數(shù)量的單端和差分I/O口標(biāo)準(zhǔn)。這些是通過(guò)I/O約束來(lái)定義的。然而，工程師必須小心確保它們遵循著I/O分組規(guī)則，這個(gè)取決于最后的管腳放置。但什么是I/O分組規(guī)則呢？FPGA上的每一個(gè)用戶I/O被組合在一起，形成有一定I/O腳數(shù)量的組。這些組有獨(dú)立的電壓供應(yīng)，與組的層次相適應(yīng)，支持寬范圍的I/O標(biāo)準(zhǔn)。在ZynqSoc和其它賽靈思7系列設(shè)備上，I/O組被進(jìn)一步地分類歸屬到兩個(gè)整體組中的一個(gè)中去，從而進(jìn)一步約束了它們的性能并且要求工程師使用正確分類的正確接口。第一個(gè)I/O組分類是高性能（HP），即被優(yōu)化來(lái)獲得更高的數(shù)據(jù)速率。高性能組類中的I/O腳使用較低的操作電壓，并且不支持LVCMOS3.3V和2.5VI/O電壓級(jí)別。寬范圍（HR）組分類被優(yōu)化來(lái)支持高性能組所不支持的寬電壓波動(dòng)I/O標(biāo)準(zhǔn)。下面的插圖顯示了賽靈思KintexXC7K325TFPGA上可用的HR和HPI/O組。7系列FPGAXC7K325T中HR和HPI/O分組情況HP和HR組的I/O分組規(guī)則見(jiàn)用戶指南471中的表1-55。在開發(fā)初期，很值得我們花費(fèi)時(shí)間來(lái)理解這些規(guī)則。為了有助這個(gè)，Vivado套件提供創(chuàng)建I/O布局工程的可能：一旦我們決定了在哪個(gè)信號(hào)中使用哪種I/O組后，我們?nèi)匀挥心芰?lái)改變信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)換率。為了優(yōu)化板子上的信號(hào)完整性，這些參數(shù)會(huì)對(duì)你的硬件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有很大的吸引力。這些選項(xiàng)也將影響板子設(shè)計(jì)的時(shí)序。信號(hào)完整性(SI)工具需要一個(gè)I/O管腳的IBIS模型，利用文件->導(dǎo)出->導(dǎo)出IBIS模型選項(xiàng)，當(dāng)我們已經(jīng)打開工程的時(shí)候，我們可以從Vivado套件中提取IBIS模型。這個(gè)導(dǎo)出文件可以用來(lái)關(guān)閉系統(tǒng)級(jí)別的SI問(wèn)題和最終PCB布線的時(shí)序分析。一旦設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)總體上對(duì)SI性能和系統(tǒng)時(shí)序比較滿意，我們將會(huì)以下面一些設(shè)計(jì)中用到的I/O約束來(lái)結(jié)束這部分：

?設(shè)置屬性管腳包裝G17[獲取端口{dout}]

?設(shè)置屬性IO標(biāo)準(zhǔn)LVCOMS33[獲取端口{dout}]

?設(shè)置屬性轉(zhuǎn)換率[獲取端口{dout}]

?設(shè)置屬性驅(qū)動(dòng)4[獲取端口{dout}]我們也可以利用HPI/O組中可用的數(shù)字控制阻抗來(lái)適時(shí)地結(jié)束I/O，來(lái)增加系統(tǒng)的信號(hào)完整性，而不需要利用外部的結(jié)束計(jì)劃。我們也必須考慮沒(méi)有信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)I/O時(shí)的影響。例如，如果I/O腳和外部連接器相連，我們可以利用I/O約束來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)上拉或下拉電阻以保護(hù)FPGA輸入信號(hào)免于懸空。懸空的輸入可能導(dǎo)致持續(xù)和間歇的系統(tǒng)問(wèn)題。當(dāng)然，通過(guò)用I/O塊自身來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的輸出觸發(fā)器，我們也能使用物理約束來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)序。這樣做減少了時(shí)鐘輸出時(shí)間。在輸入信號(hào)上我們也可以做相同的工作，這樣可使設(shè)計(jì)滿