CDC設(shè)計(jì)和約束技巧

CDC的定義與分類

CDC是Clock Domain Crossing的簡稱，CDC時(shí)序路徑指的是起點(diǎn)和終點(diǎn)由不同時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的路徑。在電路設(shè)計(jì)中對(duì)這些跨時(shí)鐘域路徑往往需要進(jìn)行特別的處理來避免亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，例如使用簡單同步器、握手電路或是FIFO來隔離。

安全的CDC路徑

所謂安全的CDC路徑是指那些源時(shí)鐘和目標(biāo)時(shí)鐘擁有相同的來源，在FPGA內(nèi)部共享部分時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序路徑。這里的安全指的是時(shí)鐘之間的關(guān)系對(duì)Vivado來說是全透明可分析的。

不安全的CDC路徑

不安全的CDC路徑則表示源時(shí)鐘和目標(biāo)時(shí)鐘不同，且由不同的端口進(jìn)入FPGA，在芯片內(nèi)部不共享時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。這種情況下，Vivado的報(bào)告也只是基于端口處創(chuàng)建的主時(shí)鐘在約束文件中所描述的相位和頻率關(guān)系來分析，并不能代表時(shí)鐘之間真實(shí)的關(guān)系。

在Vivado中分析CDC

在ISE中想要快速定位那些需要關(guān)注的CDC路徑并不容易，特別是要找到不安全的CDC時(shí)，因?yàn)镮SE缺省認(rèn)為所有來源不同的時(shí)鐘都不相關(guān)且不做分析，要報(bào)告出這類路徑，需要使用ISE Timing Analyzer （TRCE） ，并加上 “-u” （表示unconstrained）這個(gè)選項(xiàng)。

在Vivado中則容易許多，我們可以使用report_clock_interaction命令（GUI支持）來鑒別和報(bào)告設(shè)計(jì)中所有的時(shí)鐘關(guān)系。執(zhí)行命令后會(huì)生成一個(gè)矩陣圖，其中對(duì)角線上的路徑表示源時(shí)鐘與目標(biāo)時(shí)鐘相同的時(shí)鐘內(nèi)部路徑，其余都是CDC路徑。

Vivado還會(huì)根據(jù)網(wǎng)表和已讀入的約束分析出CDC路徑的約束情況，并分顏色表示。例如綠色代表有時(shí)序約束，紅色代表不安全的CDC路徑但是沒有約束時(shí)序例外，橙色表示有部分路徑已約束為false path的不安全CDC路徑。

矩陣下方是時(shí)鐘關(guān)系表格，可以就各種條件進(jìn)行篩選和排序，方便定位CDC路徑。建議的做法是：首先，對(duì)“Common Primary Clock”排序（顯示為Yes 或No），這么做可以快速鑒別出那些安全和不安全的CDC路徑，接著觀察對(duì)應(yīng)的“Inter-Clock Constraints”欄內(nèi)的內(nèi)容，判斷已讀入的XDC中是否對(duì)這類路徑進(jìn)行了合理的約束。

第二步，可以對(duì)“Path Req (WNS)”由小到大進(jìn)行排序，找到那些數(shù)值特別?。ɡ缧∮?00ps）或是顯示為“Unexpanded”的CDC路徑，結(jié)合是否共享“Common Primary Clock”來鑒別此類路徑，作出合理的約束。

過小的Path Req (WNS)一般都表示此類跨時(shí)鐘域路徑缺少異步時(shí)鐘關(guān)系或其它時(shí)序例外的約束，如果兩個(gè)時(shí)鐘連“Common Primary Clock”也不共享，則100%可以確認(rèn)為異步時(shí)鐘，應(yīng)該加上相應(yīng)的時(shí)鐘關(guān)系約束。

顯示為“Unexpanded”的時(shí)鐘關(guān)系，表示Vivado在一定長度（缺省為1000）的周期內(nèi)都沒有為兩個(gè)時(shí)鐘的頻率和相位找到固定的關(guān)系，則無法推導(dǎo)出相應(yīng)的Path Req 約束值。此類CDC需要特別留意，也要加上異步時(shí)鐘關(guān)系約束。

這個(gè)矩陣還支持交互式的時(shí)序分析，選中任意一個(gè)方框，右鍵顯示下拉菜單：選擇Report Timing，會(huì)報(bào)告出這一格代表的時(shí)鐘域（本時(shí)鐘域或是跨時(shí)鐘域）內(nèi)最差的時(shí)序路徑；選擇 Set Clock Groups則可以設(shè)置時(shí)鐘關(guān)系約束并添加到XDC文件中。

CDC的設(shè)計(jì)與約束

CDC路徑在FPGA設(shè)計(jì)中普遍存在，在設(shè)置相應(yīng)的約束前，必須了解設(shè)計(jì)中采取了怎樣的方法來處理跨時(shí)鐘域路徑。

簡單同步器

對(duì)于單根跨時(shí)鐘域路徑，一般采用簡單同步器（Simple Synchronizer），就是由至少兩級(jí)CE端和Reset/Clear端接死的寄存器序列來處理。

這種情況下，為了更長的平均無故障時(shí)間MTBF（Mean Time Between Failures），需要配合一個(gè)ASYNC_REG的約束，把用作簡單同步器的多個(gè)寄存器放入同一個(gè)SLICE，以降低走線延時(shí)的不一致和不確定性。

set_property ASYNC_REG TRUE [get_cells [list sync0_reg sync1_reg]]

在XDC中，對(duì)于此類設(shè)計(jì)的CDC路徑，可以采用set_clock_groups來約束。

set_clock_groups -asynchronous -group [get_clocks -include_generated_clocks clk_oxo ] \

-group [get_clocks -include_generated_clocks clk_core ]

用FIFO隔離CDC

在總線跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)使用異步FIFO來隔離。根據(jù)FIFO的實(shí)現(xiàn)方式不同，需要加入不同的XDC約束。

Build-in硬核FIFO

這種FIFO實(shí)際上就是用FPGA內(nèi)部的BRAM來搭建，所有控制邏輯都在BRAM內(nèi)部，是推薦的FIFO實(shí)現(xiàn)方式。其所需的XDC也相對(duì)簡單，只要像上述簡單同步器的時(shí)鐘關(guān)系約束一樣用set_clock_groups將讀寫時(shí)鐘約束為異步即可。

帶有格雷碼控制的FIFO

為了在亞穩(wěn)態(tài)下做讀寫指針抽樣也能正確判斷空滿狀態(tài)，設(shè)計(jì)中也常用一種帶有格雷碼控制的FIFO來實(shí)現(xiàn)異步時(shí)鐘域的隔離。計(jì)數(shù)器和讀寫指針等需要用BRAM外部的邏輯搭建，這樣的結(jié)構(gòu)就不能簡單約束set_clock_groups，還要考慮這些外部邏輯如何約束。

如下圖所示FIFO，在存儲(chǔ)器外部有一些用FPGA邏輯搭建的寫指針和讀指針控制，分屬不同的時(shí)鐘域，存在跨時(shí)鐘域的時(shí)序路徑。

此時(shí)如果僅將讀寫時(shí)鐘用set_clock_groups約束為異步時(shí)鐘，相當(dāng)于設(shè)置從A到B和從B到A的路徑全部為false path。根據(jù)《XDC約束技巧之時(shí)鐘篇》所列，false path的優(yōu)先級(jí)最高，很顯然這么做會(huì)導(dǎo)致所有跨讀寫時(shí)鐘域的路徑全部不做時(shí)序分析，讀寫指針和相關(guān)控制邏輯也就失去了存在的意義。

所以建議的做法是不設(shè)set_clock_groups約束，轉(zhuǎn)而采用set_max_delay來約束這些跨時(shí)鐘域路徑。以寫入側(cè)舉例，一個(gè)基本的原則就是約束從cell1到cell2的路徑之間的延時(shí)等于或略小于cell2的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘一個(gè)周期的值。讀出側(cè)的約束同理。

set_max_delay $delay –from [get_cells cell1] –to [get_cells cell2] –datapath_only

如果用戶使用Vivado的IP Catalog來產(chǎn)生此類FIFO，這樣的XDC會(huì)隨IP的源代碼一起輸出（如下所示），使用者僅需注意確保這個(gè)FIFO的讀寫時(shí)鐘域沒有被用戶自己的XDC約束為false path或是異步clock groups 。

set_max_delay -from [get_cells …../rd_pntr_gc_reg[*]] -to [get_cells …../Q_reg_reg[*]] \

-datapath_only [get_property PERIOD $rd_clock]

set_max_delay -from [get_cells …../wr_pntr_gc_reg[*]] -to [get_cells …../Q_reg_reg[*]] \

-datapath_only [get_property PERIOD $wr_clock]

自2013.4開始，Vivado中還提供一個(gè)稱作methodology_checks的DRC檢查，其中包含有對(duì)此類異步FIFO的max delay約束與時(shí)鐘域clock groups約束的沖突檢查。

CDC約束方案的對(duì)比

CDC路徑在FPGA設(shè)計(jì)中普遍存在，不少公司和研發(fā)人員都有自己偏愛的約束方式，這些方式通常有各自適用的環(huán)境，當(dāng)然也各有利弊。

全部忽略的約束

最大化全部忽略CDC路徑的約束，即采用set_clock_groups 或是set_false_path對(duì)時(shí)鐘關(guān)系進(jìn)行約束，從而對(duì)跨時(shí)鐘域的路徑全部忽略。

示例：set_clock_groups -asynchronous -group clkA -group clkB

優(yōu)勢：簡單、快速、執(zhí)行效率高。

劣勢：會(huì)掩蓋時(shí)序報(bào)告中所有的跨時(shí)鐘域路徑，容易誤傷，不利于時(shí)序分析。

使用datapath_only約束

datapath_only是從ISE時(shí)代的UCF中繼承過來的約束，在XDC中必須作為一個(gè)選項(xiàng)跟set_max_delay配合使用，可以約束在時(shí)鐘之間，也可以對(duì)具體路徑進(jìn)行約束。

示例：set_max_delay 10 -datapath_only -from clkA -to clkB

優(yōu)勢：簡便、執(zhí)行效率較高。

劣勢：1) 需要特別留意是否設(shè)置了過于嚴(yán)格的約束，因?yàn)槭褂谜呓?jīng)常會(huì)使用較快的時(shí)鐘周期來約束跨時(shí)鐘域路徑 。2) 注意約束優(yōu)先級(jí)的關(guān)系，是否跟設(shè)計(jì)中其它的約束有沖突。3) set_max_delay而沒有配套設(shè)置set_min_delay的情況下，同一路徑只做setup分析而不做hold分析。

逐條進(jìn)行時(shí)序例外約束

對(duì)設(shè)計(jì)中的CDC路徑分組或逐條分析，采用不同的時(shí)序例外約束，如set_false_path，set_max_delay和set_multicycle_path等來約束。

示例：set_false_path -from [get_cells a/b/c/*_meta*] -to [get_cells a/b/c/*_sync*]

優(yōu)勢：靈活、針對(duì)性好、便于時(shí)序分析和調(diào)試。

劣勢：1) 逐條約束會(huì)占用大量時(shí)間來調(diào)試和分析，效率低下。2) 時(shí)序例外的優(yōu)先級(jí)比較復(fù)雜，多種時(shí)序例外約束共存的情況下，很容易產(chǎn)生意想不到的沖突，進(jìn)一步增加調(diào)試時(shí)間，降低效率。3) 這么做極容易產(chǎn)生臃腫的XDC約束文件，而且時(shí)序例外的執(zhí)行更耗內(nèi)存，直接導(dǎo)致工具運(yùn)行時(shí)間變長。

小結(jié)

CDC路徑的分析和約束不僅在FPGA設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，也是數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的命題。IP提供商、EDA公司都有不少關(guān)于CDC的技術(shù)文檔。Vivado相比于Xilinx.上一代產(chǎn)品ISE，已經(jīng)在CDC的鑒別和分析方面有了很大改進(jìn)，XDC相比于UCF，在CDC路徑的約束上也更為高效，覆蓋率更高。

希望本篇短文可以幫助Vivado的用戶快速掌握對(duì)FPGA設(shè)計(jì)中CDC路徑的鑒別、分析和約束方法，提高設(shè)計(jì)效率。

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