Vivado使用技巧時(shí)鐘的基礎(chǔ)知識

時(shí)鐘的基礎(chǔ)知識

數(shù)字設(shè)計(jì)中，“時(shí)鐘”表示在寄存器之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)所需的參考時(shí)間；Vivado的時(shí)序引擎利用時(shí)鐘特征來計(jì)算時(shí)序路徑需求，通過計(jì)算時(shí)間裕量（Slack）的方法報(bào)告設(shè)計(jì)的時(shí)序空余；時(shí)鐘必須被正確定義以最佳精度獲得最大的時(shí)序路徑覆蓋范圍，包含如下特性：

定義在時(shí)鐘樹的驅(qū)動管腳或端口，通常稱作根或源點(diǎn)；

通過周期和波形屬性來描述時(shí)鐘邊沿；

周期（period）以ns為單位進(jìn)行設(shè)定，與波形重復(fù)率相關(guān)；

波形（waveform）以列表的形式給出，表中包含上升沿和下降沿在周期中的絕對時(shí)間，以ns為單位；第一個(gè)上升沿對應(yīng)于第一個(gè)值，第一個(gè)下降沿對應(yīng)第二個(gè)值；默認(rèn)情況下，相位偏移從0ns開始，占空比為50%；

如下圖給出了兩個(gè)時(shí)鐘Clk0: period=10, waveform={0 5}、Clk1: period=8, waveform = {2 8}；

上述給出的只是時(shí)鐘的理想特征。當(dāng)時(shí)鐘進(jìn)入了FPGA器件，通過時(shí)鐘樹傳遞時(shí)，時(shí)鐘邊沿會有延時(shí)，通常稱作時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延遲；噪聲或硬件表現(xiàn)會導(dǎo)致時(shí)鐘隨時(shí)可能發(fā)生變化，通常稱作時(shí)鐘不確定性，包括時(shí)鐘抖動(Clock jitter)、相位錯(cuò)位(Phase error)等等, Vivado在時(shí)序分析時(shí)會考慮這些非理想因素以得到精確的時(shí)序裕量；

通常板子上有一個(gè)外部組件（如有源晶振）產(chǎn)生時(shí)鐘信號，通過輸入端口進(jìn)入器件內(nèi)部；外部時(shí)鐘可以通過MMCM、PLL、BUFR等特殊原語生成其它時(shí)鐘，也可以由LUT、寄存器等常規(guī)單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換（通常稱作門控時(shí)鐘）；接下來的部分將講述如何由源時(shí)鐘定義成其他類型的時(shí)鐘；

主時(shí)鐘Primary Clock

主時(shí)鐘通常由兩個(gè)來源：（1）板級時(shí)鐘通過輸入端口進(jìn)入設(shè)計(jì)；（2）GT收發(fā)器的輸出管腳（如恢復(fù)時(shí)鐘）；

主時(shí)鐘必須與一個(gè)網(wǎng)表對象相連，該對象代表了所有時(shí)鐘邊沿的開始點(diǎn)，并且在時(shí)鐘樹中向下傳遞；也可以說，主時(shí)鐘的源點(diǎn)定義了0時(shí)刻，Vivado靠此來計(jì)算時(shí)鐘延遲和不確定性 ；vivado會忽略所有時(shí)鐘樹上從主時(shí)鐘上游的單元到主時(shí)鐘之間的延時(shí)！

主時(shí)鐘只能通過create_clock命令來定義，且必須放在約束的開始，這是因?yàn)槠渌鼤r(shí)序約束幾乎都要參考主時(shí)鐘；下面給出幾個(gè)主時(shí)鐘的例子，第一個(gè)例子如下圖所示，采用單端時(shí)鐘輸入：

板級時(shí)鐘通過sysclk端口進(jìn)入FPGA，通過一個(gè)輸入緩沖器和一個(gè)時(shí)鐘緩沖器后到達(dá)寄存器，使用如下命令定義：

create_clock -period 10 [get_ports sysclk] #10ns周期，50%占空比，無相移

create_clock -name devclk -period 10 -wavefor {2.5 5} [get_ports sysclk] #板級時(shí)鐘名稱devclk，10ns周期，25%占空比，90°相移

第二個(gè)例子，時(shí)鐘源由高速收發(fā)器gt0提供，如下圖所示：

通過sysclk端口進(jìn)入FPGA，之后經(jīng)過混合時(shí)鐘管理單元MMCM生成其他時(shí)鐘，以gt0發(fā)出的時(shí)鐘為主時(shí)鐘，其他生成時(shí)鐘都有一個(gè)共同的時(shí)鐘源，使用如下命令定義：

create_clock -name rxclk -period 3.33 [get_pins gt0/RXOUTCLK]

第三個(gè)例子如下圖所示，采用差分時(shí)鐘輸入，這也是高速時(shí)鐘的輸入方式：

上圖中差分時(shí)鐘驅(qū)動一個(gè)PLL，定義主時(shí)鐘時(shí)必須只創(chuàng)建差分緩沖器的正極輸入；如果同時(shí)創(chuàng)建了正極、負(fù)極輸入，將會導(dǎo)致錯(cuò)誤的CDC路徑；使用如下命令定義：

create_clock -name sysclk -period 3.33 [get_ports SYS_CLK_clk_p]

虛擬時(shí)鐘Virtual Clock

虛擬時(shí)鐘通常用于設(shè)定對輸入和輸出的延遲約束，之所以稱為“虛擬”，是因?yàn)檫@種時(shí)鐘在物理上沒有與設(shè)計(jì)中的任何網(wǎng)表對象相連；定義時(shí)使用create_clock命令，但無需指定源對象 ，在下列情況需要用到虛擬時(shí)鐘：

所有的設(shè)計(jì)時(shí)鐘都不是外部器件I/O的參考時(shí)鐘；

FPGA的I/O路徑與一個(gè)內(nèi)部生成的時(shí)鐘相關(guān)，但是該時(shí)鐘不能合適地通過對板級時(shí)鐘計(jì)時(shí)來生成（如兩個(gè)周期的比不是整數(shù)）；

希望為與I/O延遲約束相關(guān)的時(shí)鐘設(shè)定不同的抖動和延遲，但是不希望修改內(nèi)部時(shí)鐘的特征 ；

比如時(shí)鐘clk_virt的周期為10ns，且不與任何網(wǎng)表對象相連，可以這樣定義“create_clock -name clk_virt –period 10”，沒有指定objects參數(shù)；注意，虛擬時(shí)鐘必須在使用之前便定義好 ；

生成時(shí)鐘Generated Clock

生成時(shí)鐘是指在設(shè)計(jì)內(nèi)部由特殊單元（如MMCM、PLL）或用戶邏輯驅(qū)動的時(shí)鐘；生成時(shí)鐘與一個(gè)上級時(shí)鐘（注：官方稱作master clock，為與primary clock作區(qū)分，這里稱作上級時(shí)鐘）相關(guān)，其屬性也是直接由上級時(shí)鐘派生而來；上級時(shí)鐘可以是一個(gè)主時(shí)鐘，也可以是另一個(gè)生成時(shí)鐘；

生成時(shí)鐘使用create_generated_clock命令定義，該命令不是設(shè)定周期或波形，而是描述時(shí)鐘電路如何對上級時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換可以是下面的關(guān)系：

Vivado計(jì)算生成時(shí)鐘的延遲時(shí)，會追蹤生成時(shí)鐘的源管腳與上級時(shí)鐘的源管腳之間的所有組合和時(shí)序路徑。某些情況下可能只希望考慮組合邏輯路徑，在命令行后添加-combinational選項(xiàng)即可；

這里先解釋一下本文甚至本系列大量使用的兩個(gè)詞，端口（Port）和管腳（Pin）。端口通常用get_ports命令獲取，管腳使用get_pins命令獲取。二者的含義是不同的，但管腳的范圍更廣泛，比如設(shè)計(jì)中用到的一個(gè)寄存器都有3個(gè)管腳：clk、D和Q；下面給出幾個(gè)定義生成時(shí)鐘的例子：

簡單的頻率分頻

簡單的頻率倍頻

頻率倍頻與分頻的組合，獲得一個(gè)非整數(shù)的比例，通常由MMCM或PLL完成

相移或波形反相

占空比改變

上述所有關(guān)系的組合

1.簡單的2分頻

可以采用如下兩種方法對生成時(shí)鐘進(jìn)行約束：

#定義主時(shí)鐘，周期10ns，50%占空比

create_clock -name clkin -period 10 [get_ports clkin]

#約束方法1，主時(shí)鐘作為源點(diǎn)

create_generated_clock -name clkdiv2 -source [get_ports clkin] -divide_by 2 [get_pins REGA/Q]

#約束方法2，REGA的始終管腳作為源點(diǎn)

create_generated_clock -name clkdiv2 -source [get_pins REGA/C] -divide_by 2 [get_pins REGA/Q]

約束命令中使用**-source選項(xiàng)來設(shè)定上級時(shí)鐘，但如上所示，該選項(xiàng)只能設(shè)定為一個(gè)端口或管腳類型的網(wǎng)表對象，不能直接設(shè)置為時(shí)鐘類型對象。上面約束使用-divide_by選項(xiàng)設(shè)置分頻系數(shù)，此外還可以使用-edges**選項(xiàng)，如下所示：

#該約束與上面等效

create_generated_clock -name clkdiv2 -source [get_pins REGA/C] -eedges {1 3 5} [get_pins REGA/Q]

#1 3 5 分別為生成時(shí)鐘一個(gè)周期的三個(gè)沿對應(yīng)master clock的上升沿的位置

-edges的參數(shù)為一個(gè)列表，該列表通過主時(shí)鐘的邊沿來描述生成時(shí)鐘的波形；列表中的值為主時(shí)鐘邊沿的序號（注意觀察上圖），由時(shí)鐘上升沿開始，定義了生成時(shí)鐘邊沿的時(shí)間點(diǎn)；

2.改變占空比與相移

如果僅需要改變時(shí)鐘的相移，使用**-edge_shift**選項(xiàng)可以正向或反向設(shè)定每一個(gè)生成時(shí)鐘波形的相移量；注意，-edge_shift選項(xiàng)不能與-devide_by、-multiply_by、-invert選項(xiàng)同時(shí)使用；下圖中上級時(shí)鐘為clkin，進(jìn)入mmcm0單元，產(chǎn)生一個(gè)25%占空比、相移90°的時(shí)鐘：

可以采用如下方法對生成時(shí)鐘進(jìn)行約束：使用上級時(shí)鐘的1、2、3標(biāo)號邊沿（即0ns、5ns、10ns）定義生成時(shí)鐘，為了得到預(yù)期波形，1和3標(biāo)號邊沿要分別移動2.5ns，得到2.5ns、5ns、12.5ns的波形：

#定義主時(shí)鐘，周期10ns，50%占空比

create_clock -name clkin -period 10 [get_ports clkin]

#定義生成時(shí)鐘，周期10ns，25%占空比，90°相移

create_generated_clock -name clkshift -source [get_pins mmcm0/CLKIN] -edges {1 2 3}

-edge_shift {2.5 0 2.5} [get_pins mmcm0/CLKOUT]

3.同時(shí)倍頻與分頻

這種情況通常用于定義MMCM或PLL的輸出，一般使用這些IP核時(shí)會自動創(chuàng)建相應(yīng)約束；考慮上例中的圖，假設(shè)MMCM將上級時(shí)鐘倍頻到4/3倍，無法直接倍頻，需要同時(shí)使用-divede_by和-multiply_by選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)：

create_generated_clock -name clk43 -source [get_pins mmcm0/CLKIN] -multiply_by 4

-divide_by 3 [get_pins mmcm0/CLKOUT]

4.僅通過組合路徑追蹤上級時(shí)鐘

前面簡單介紹了-combinational選項(xiàng)的使用，為了更好理解，這里舉一個(gè)具體例子；下圖中，上級時(shí)鐘同時(shí)傳遞到寄存器和多路選擇器中，寄存器對時(shí)鐘進(jìn)行2分頻，多路選擇器從寄存器的2分頻時(shí)鐘和上級時(shí)鐘中選擇一個(gè)作為生成時(shí)鐘輸出 ：

顯而易見，從上級時(shí)鐘到生成時(shí)鐘有兩條路徑，一條為時(shí)序路徑，一條為組合路徑；如果我們只希望考慮組合路徑上的延遲時(shí)，定義生成時(shí)鐘時(shí)就需要使用-combinational選項(xiàng) ：

create_generated_clock -name clkout -source [get_pins mmcm0/CLKIN] -combinational

[get_pins MUX/O]

自動生成時(shí)鐘 Automatically Derived Clocks

這種類型時(shí)鐘算是生成時(shí)鐘的一種特例，“自動”是指在已經(jīng)定義了上級時(shí)鐘的情況下，Vivado會自動為時(shí)鐘管理單元CMBs（Clock Modifying Blocks）的輸出管腳創(chuàng)建約束，官方稱作Automatically Derived Clocks或Auto-generated Clock；

如果約束中已經(jīng)存在用戶在某一網(wǎng)表對象上定義的時(shí)鐘，則不會創(chuàng)建相同對象上的自動生成時(shí)鐘；

下面給出一個(gè)具體例子，下圖中上級時(shí)鐘clkin驅(qū)動clkip/mmcm0單元的CLKIN輸入，該單元是一個(gè)MMCME2資源的實(shí)例，則自動生成時(shí)鐘的定義源點(diǎn)為clkip/mmcm0/CLKOUT，頂層與此源點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)名為clkip/cpuClk，自動生成時(shí)鐘的名字便是cpuClk：

如上所述，Vivado會自動創(chuàng)建自動生成時(shí)鐘的名稱（Name），如果兩個(gè)名稱發(fā)生沖突也會自動添加后綴，如usrclk、usrclk_1等等；

時(shí)鐘組Clock Group

默認(rèn)情況下，Vivado會測量設(shè)計(jì)中所有時(shí)鐘之間的路徑時(shí)序，添加如下兩種約束可以控制該功能：

劃分時(shí)鐘組通常有兩個(gè)依據(jù)：

（1）原理圖或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)報(bào)告中的時(shí)鐘樹拓?fù)鋱D，判斷哪些時(shí)鐘不應(yīng)該放在一起做時(shí)序分析；

（2）時(shí)鐘交互報(bào)告查看兩個(gè)時(shí)鐘間存在的約束，判斷它們是否有共享的主時(shí)鐘（代表是否有已知的相位關(guān)系）或者是否有公共周期 ；

但要明白，我們設(shè)定時(shí)鐘組的目的還是為了保證設(shè)計(jì)在硬件中能正常工作，因此我們必須確保這些忽略了時(shí)序分析的路徑有合適的再同步電路或異步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；

set_clock_groups：建立時(shí)鐘組，Vivado不會對不同時(shí)鐘組的時(shí)鐘之間進(jìn)行時(shí)序分析；

set_false_path：將兩個(gè)時(shí)鐘之間的路徑設(shè)置為false path后，不會對該路徑進(jìn)行任何時(shí)序分析；

根據(jù)時(shí)鐘間的關(guān)系，可以做如下分類：

同步時(shí)鐘：即兩個(gè)時(shí)鐘間有可預(yù)知的相對相位，通常它們的時(shí)鐘樹源自網(wǎng)表中的同一個(gè)根，且有一個(gè)公共周期；

異步時(shí)鐘：兩個(gè)時(shí)鐘間有無法預(yù)知的相對相位。比如兩個(gè)獨(dú)立的晶振信號通過兩個(gè)輸入端口進(jìn)入FPGA中，生成兩個(gè)時(shí)鐘。由于兩個(gè)主時(shí)鐘沒有明確的相位關(guān)系，兩個(gè)生成時(shí)鐘間便是異步的；

不可擴(kuò)展時(shí)鐘：官方稱作Unexpandable Clocks，是指時(shí)序引擎在1000個(gè)周期內(nèi)無法判斷兩個(gè)時(shí)鐘是否有公共周期。這種情況通常發(fā)生在兩個(gè)時(shí)鐘周期比是一個(gè)特殊的分?jǐn)?shù)，比如一個(gè)主時(shí)鐘通過MMCM生成一個(gè)周期為5.125ns的時(shí)鐘clk1和一個(gè)周期為6.666ns的時(shí)鐘clk2，盡管它們在時(shí)鐘樹的根上有一個(gè)確定的相位關(guān)系，但是在1000個(gè)周期內(nèi)時(shí)鐘上升沿?zé)o法再次對齊；

1.異步時(shí)鐘組

同步時(shí)鐘可以安全地進(jìn)行時(shí)序分析，異步時(shí)鐘和不可擴(kuò)展時(shí)鐘雖然通過時(shí)序分析也會得到一個(gè)裕量值，但這個(gè)值不可作為可靠結(jié)果；從這個(gè)角度出發(fā)，不可擴(kuò)展時(shí)鐘也可以視作一種特殊的異步時(shí)鐘；這就需要通過設(shè)置時(shí)鐘組來忽略異步時(shí)鐘的時(shí)序路徑上的時(shí)序分析 ；

這里舉個(gè)例子，一個(gè)主時(shí)鐘clk0通過MMCM生成兩個(gè)時(shí)鐘usrclk和itfclk；另一個(gè)主時(shí)鐘clk1通過另一個(gè)MMCM生成兩個(gè)時(shí)鐘clkrx和clktx，用如下命令創(chuàng)建異步時(shí)鐘組：

set_clock_groups -name async_clk0_clk1 -asynchronous -group {clk0 usrclk itfclk}

-group {clk1 gtclkrx gtclktx}

#如果時(shí)鐘名稱事先不知道，可以用如下寫法

set_clock_groups -name async_clk0_clk1 -asynchronous -group [get_clocks -include_generated_clocks clk0] -group [get_clocks -include_generated_clocks clk1]

2.互斥時(shí)鐘組 Exclusive Clock Groups

下面再介紹另一種會用到時(shí)鐘組的情況：某些設(shè)計(jì)會有幾個(gè)操作模式，不同操作模式使用不同的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘通常由專用的時(shí)鐘選擇器進(jìn)行選擇，如BUFGMUX和BUFGCTRL，最好不要用LUT作時(shí)鐘選擇器；

這些單元都是組合邏輯單元，Vivado會將所有輸入傳遞到輸出；在Vivado IDE中，幾個(gè)時(shí)序時(shí)鐘可以同時(shí)存在時(shí)鐘樹上，方便地同時(shí)報(bào)告所有操作模式，但是在硬件中這是不可能的，它們之間是互斥的，這些時(shí)鐘便稱作互斥時(shí)鐘；

舉個(gè)例子，一個(gè)MMCM實(shí)例生成的兩個(gè)時(shí)鐘clk0和clk1，與一BUFGMUX實(shí)例clkmux相連，clkmux的輸出驅(qū)動設(shè)計(jì)時(shí)鐘樹；默認(rèn)情況下，雖然clk0和clk1共享同一時(shí)鐘樹，且不能同時(shí)存在，Vivado還是會分析clk0和clk1之間的路徑，這個(gè)問題要通過設(shè)置互斥時(shí)鐘組來解決，達(dá)到禁止分析這兩個(gè)時(shí)鐘間路徑 的目的。約束如下：

set_clock_groups -name exclusive_clk0_clk1 -physically_exclusive

-group clk0 -group clk1

在ASIC工藝中使用-physically_exclusive和-logically_exclusive代表不同的信號完整性分析模式，但對于Xilinx FPGA而言，二者是等價(jià)的，都可以使用；

時(shí)鐘延遲、抖動與不確定性

本文的上述約束可以說都是對時(shí)鐘的理想特征進(jìn)行約束，為了更精確地進(jìn)行時(shí)序分析，設(shè)計(jì)者還必須設(shè)定一些與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)的可預(yù)測變量和隨機(jī)變量，這部分也稱作時(shí)鐘的不確定性特征；

1.時(shí)鐘延遲latency

經(jīng)過板子上和FPGA器件內(nèi)部的傳輸，時(shí)鐘邊沿到達(dá)目的地后會有一個(gè)確定的延遲，這個(gè)延遲可以分為兩個(gè)部分看待：

網(wǎng)絡(luò)延遲：也稱作插入延遲，指在FPGA內(nèi)部傳輸帶來的延遲；Vivado會自動分析計(jì)算該延遲，布線過程前只是一個(gè)粗略的估計(jì)，布線后便可以得到一個(gè)精確的值；對于生成時(shí)鐘，包含其本身的網(wǎng)絡(luò)延遲和上級時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)延遲兩部分；

源端延遲：通常指FPGA器件外，時(shí)鐘進(jìn)入源點(diǎn)前的傳輸延遲，這部分延遲與PCB設(shè)計(jì)相關(guān)，需要用set_clock_latency命令進(jìn)行約束；

下面給出一個(gè)約束源端時(shí)鐘延遲的例子：

# Minimum source latency value for clock sysClk (for both Slow and Fast corners)

set_clock_latency -source -early 0.2 [get_clocks sysClk]

# Maximum source latency value for clock sysClk (for both Slow and Fast corners)

set_clock_latency -source -late 0.5 [get_clocks sysClk]

2.時(shí)鐘抖動jitter

對于ASIC器件來說，時(shí)鐘抖動通常代表了時(shí)鐘不確定性特征；但對于Xilinx FPGA而言，抖動屬性被當(dāng)作可預(yù)測變量看待；抖動有的需要單獨(dú)設(shè)置，有的在時(shí)序分析過程中自動計(jì)算，抖動分為兩種：

輸入抖動：指實(shí)際時(shí)鐘邊沿與理想時(shí)鐘邊沿到達(dá)時(shí)刻之間的差值，使用set_iput_jitter命令為每個(gè)主時(shí)鐘單獨(dú)設(shè)置輸入抖動；但是不能直接為生成時(shí)鐘設(shè)置輸入抖動，這部分由工具自動計(jì)算，如果（1）.生成時(shí)鐘由一個(gè)組合或時(shí)序單元創(chuàng)建，生成時(shí)鐘的抖動與上級時(shí)鐘相同；（2）.生成時(shí)鐘由 MMCM或PLL驅(qū)動，生成時(shí)鐘的抖動為一個(gè)自動計(jì)算的值；

系統(tǒng)抖動：指電源噪聲、板級噪聲或其它原因引起的整體的抖動，對于整個(gè)設(shè)計(jì)，使用set_system_jitter命令設(shè)置一個(gè)值即可，會應(yīng)用到所有時(shí)鐘；

下面給出一個(gè)約束輸入抖動的例子：

#主時(shí)鐘傳輸過程中有±100ps的抖動

set_input_jitter [get_clocks -of_objects [get_clocks sysclk]] 0.1

不過，時(shí)鐘抖動對整個(gè)時(shí)鐘不確定性計(jì)算的影響不是太大。計(jì)算時(shí)鐘不確定性時(shí)對每條路徑都是獨(dú)立的，且主要依賴于時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路徑上的時(shí)鐘對、時(shí)鐘樹上是否存在MMCM/PLL單元等其它因素；

3.附加的時(shí)鐘不確定性 Additional Clock Uncertainty

使用set_clock_uncertainty命令可以根據(jù)需要為特定的時(shí)鐘關(guān)系定義附加的時(shí)鐘不確定性，這樣在時(shí)序分析時(shí)，可以為設(shè)計(jì)中的某些部分增加額外裕量

看下面的例子：

set_clock_uncertainty 2.0 -from [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]

set_clock_uncertainty 1.0 [get_clocks clk1]

這里首先約束從clk1到clk2有一個(gè)2ns的時(shí)鐘不確定性，接著又約束clk1有1ns的時(shí)鐘不確定性，但是后面這條約束不會改動從clk1到clk2之間的關(guān)系；同時(shí)，要注意clk1到clk2有時(shí)鐘間的不確定性，clk2到clk1也有時(shí)鐘間的不確定性，所以要約束完整！

審核編輯 ：李倩

原文標(biāo)題：Vivado使用技巧時(shí)鐘的約束方法

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