ISE约束UCF编辑的操作介绍

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ISE UCF FPGA 约束

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。

Xilinx FPGA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

ISE UCF FPGA 约束

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: #

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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<0>" LOC = D22;

60: NET "pin_led_o<1>" LOC = C22;

61: NET "pin_led_o<2>" LOC = E21;

62: NET "pin_led_o<3>" LOC = D21;

63: NET "pin_led_o<4>" LOC = C21;

64: NET "pin_led_o<5>" LOC = B24;

65: NET "pin_led_o<6>" LOC = C20;

66: NET "pin_led_o<7>" 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。

ISE UCF FPGA 约束

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：

TIMESPEC "TSidentifier"=PERIOD "timegroup_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：

NET "top_level_port_name" SLEW="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 = IN value VALID value BEFORE clock OFFSET = OUT value VALID value AFTER clock

ISE UCF FPGA 约束

图3 时序图（OFFSET IN）

例子：

NET "SysCLk" TNM_NET = "SysClk";

TIMESPEC "TS_SysClk" = PERIOD "SysClk" 5 ns HIGH 50%; OFFSET = IN 5 ns VALID 5 ns BEFORE "SysClk";

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：

ISE UCF FPGA 约束

NET "ClkIn" TNM_NET = "ClkIn";

OFFSET = OUT 5 ns AFTER "ClkIn";

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 = OUT 5 ns AFTER "ClkIn" 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：

ISE UCF FPGA 约束

INST "Done" LOC = "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。

INST"BRAM4/BU2/U0/blk_mem_generator/valid.cstr/ramloop[0].ram.r/v4_init.ram/TRUE_DP.SINGLE_PRIM.TDP"LOC = "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;

AREA_GROUP reg RANGE = 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 UCF FPGA 约束

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：

ISE UCF FPGA 约束

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。

ISE UCF FPGA 约束

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。

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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

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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：