FPGA时序约束

前言

为什么要进行时序约束：就是告诉软件端口的输入的周期、延迟等的关系，然后更好的布局布线，如果我们不加这些约束，那么软件无法知道我们的时钟周期的情况，因此布局布线之后，就不会有时序违例的警告，导致错了我们也不知道

核心在于防止出现建立或者保持时间不满足导致出现亚稳态

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1、建立和保持时间

1.1 建立时间

看两个触发器，也就是说看两个时钟沿。
建立时间容线：数据要在第二个时钟上升沿（捕获沿）之前提前来到。

1.2 保持时间

保持时间，是在同一个时钟沿进行分析。从当前时钟沿数据开始保持开始，且当前时钟沿也开始发另外一个数据，但是这个数据必须在保持时间完成之后来到。也就是这个保持时间容限。

小结：建立时间和保持时间，主要的就是明白其保持和建立时间容限

2 时序路径

有4个时序路径，针对不同的时序路径会有不同的约束方式。

2 具体约束

2.1 IO约束

2.1.1 管脚约束

管脚和电平的约束。
这里需要注意的就是差分端接，V6芯片是需要用IBUFDS来制定端接为差分。ULTRASCALE 需要手动去指定。

2.1.2 延迟约束

输入时钟(同一个时钟下)和输入数据之间的关系:数据相对时钟的延迟最大/最小时间，set_input_delay

注意：延迟只是说明，告知软件有这个延迟关系，而不是去改变这个延迟

2.1.3 虚拟时钟

在IO约束中的延迟约束的时候，约束的是外部输入的数据和时钟之间的关系，但是有一种情况，就是只有数据是从外部输入的，但是采集这个数据的时钟是FPGA内部的且不满足和主时钟为整数倍的频率关系（也就说只要捕获时钟是主时钟，或者产生的衍生时钟是和主时钟为整数倍的频率关系，在输入这一侧，就不用创建虚拟时钟），因此需要对这个内部的时钟创建为虚拟时钟，有了这个虚拟时钟，才能继续为数据和时钟设定延迟关系。
这个虚拟时钟，对输出来说，就是输出的时候没有随路时钟给到下游器件





虚拟时钟需要在约束I/O延迟之前定义：也就是说先有时钟名，再定义延迟

小结：IO约束，一个是管脚，一个数据和时钟之间的延迟。数据和时间的延迟又分为是否为捕获时钟有还是没有（对于输入和输出都要判断），有时钟但是不满足和主时钟为整数倍的频率关系（衍生时钟）则需要虚拟时钟，否则不，对于输出也一样

2.2周期约束，FPGA内部的时序路径

2.2.1 主时钟

命令：create_clock
主时钟：

• 外部时钟源，通过时钟管脚进去的。通过时钟管脚进去的，布局布线是不一样的。
• GT时钟。在绑定GT时钟的时候，7系列需要RX、TX都要绑定。ULTRASCALE只需要绑定RX时钟

怎么查看主时钟：

• 
• 
  主时钟之间的关系：
  如果需要设定主时钟的关系，则
  

一
默认是占空比为50%，0时刻出现上升沿。
只约束P端即可。

2.2.2 衍生时钟

命令：create_generated_clock
这个命令不是设定周期或者波形，而是描述时钟电路如何对上级时钟进行转换

-source 是只master clock，可以是主时钟，也可以是衍生时钟。
衍生时钟分为下面两种：

• vivado自动推导的。
  

• 用户自定义的。
  需要注意的是如果使用vivado自动推导的，可能会和自己定义始终名称产生冲突。解决方法是，重新以自动推导的名字，再自定义一下

2.2.3 主时钟之间的相互关系

命令：create_clock_group
一般大的工程，都会有多个主时钟（注意，也可以是衍生时钟），当这几个时钟是异步的时候（没有任何相位关系，如果是同步的，即MMCM产生的时钟相位是一定的，但是频率不同），则需要用下面的命令来指定时钟的关系。asychronous（即：相位关系不确定）

这个命令的另一个作用：验证同一个时钟端口，在不同时钟频率下的时序收敛情况。如端口clk1,clk2,其中clk2为100MHZ，clk1想测量在50MHZ,100MHZ,200MHZ下的时钟情况，为了免得多次去设定综合，就可以这样去设定，同时去分析。如下图：

步骤：

• 创建主时钟。同一个端口用不同时钟使用 -add
• 设定同一个端口的主时钟之间的关系。这里同一个端口用不同时钟，这个关系用：物理上不是功用的，-physically_exclusive
• 创建端口主时钟之间的关系：-asynchronous。其中同一个端口的哟个“ ”来囊括
  这里的时钟组包括同一个端口的时钟组和不同端口的时钟组
  注意：这里时钟之间的关系，可以是衍生时钟之间的关系，也可以是主时钟之间的关系

2.2.4 使用BUFGMUX 时钟选择的使用

如果MMCM输出的衍生时钟被选择性的使用，则需要进行以下约束

2.3 最大最小延迟约束

即：
· 端口到端口

• reg到reg之间，这里不同的reg是单独使用其自己的时钟，即异步电路。对于异步电路来说，都是通过设计来保证，而不是通过约束来保证
  

2.4 两种时序例外

2.4.1 多周期路径

正常的时序分析都是以单周期来做分析，即发起沿和捕获沿是相邻的时钟沿。建立时间是在时刻2，保持时间的检查是在建立时间的前一个时钟沿。


具体的细节和延伸暂时讲，后续遇到了再说。
…

2.4.1.1 单时钟域

2.4.1.2 时钟相移

2.4.1.3 慢到快

2.4.1.4 快到慢

2.4.2 伪路径

就是该路径的的电路功能不会有问题，后者不需要加时序约束，这样可以减少工具优化时间，避免软件对这个部分进行时序约束。

需要注意的是，为伪路径约束是单向的。如果两个时钟（跨时钟域）之间会相互的传递信息，则需要双向约束

3 实战

梳理时钟树：


**注意：**一般以为没有任何约束，软件就不知道我们时钟周期，就不会有时序警告，但是MMCM会自动加上时序约束，这样就会有时序警告
分析时钟都有哪些：这里是2个主时钟，4个衍射时钟。其中材clk2，不是衍生时钟（衍射时钟一般是MMCM或者PLL产生的，或者用户自定义的，这里BUFG不是属于衍生时钟）。

MMCM会对输入的主时钟，和输出的衍生时钟进行自动约束

3.1 主时钟约束

创建主时钟：

3.2 创建衍生时钟

创建衍生时钟

注意：-name 后面是时钟输出的名字，这里的source后需要跟两个路径，第一个为该时钟的master clock的路径，第二个为该时钟的路径（就是时钟输出的位置）。


这里名字可以设定为其他名字，不一定要和自动推导的一样。

看看时钟的交互情况来设定时钟组：clk_tx和clk_rx有跨时钟域的交互，但是是同步的，所以设定为伪路径，其实异步的好像也设置为伪路径？（也就是说PLL或者MMCM出来的不同频，但是同相的，可以不去进行时序分析，又这个是跨时钟域，通过设计去优化了，更不用时序分析了，所以设置为伪路径）。。。。然后就是clk_samp和clk2之间有交互，就是异步时钟，没有明确的相位关系，那就设定为异步 asynchronous

这里使用get_clocks，因为我们之前已经定义好了时钟的名字了

3.3 延迟约束

输入管脚的延迟约束，除了复位信号以外，其他的都需要进行约束，因为复位是异步复位，异步是需要设置为伪路径的。
首先判断捕获时钟（无论是输入还是输出，都从捕获时钟来开始分析，这是分析数据和时钟之间的关系，时钟已经创建了，就不用管时钟输入的引脚了，现在主要看数据端口）是主时钟还是衍生时钟，如果是衍生时钟且时钟频率不是主时钟的整数倍，就要创建虚拟时钟，否则可以直接用set_input_delay…（如果输入的有随路时钟，也不需要用虚拟时钟）
输出的没有随路时钟，也需要创建虚拟时钟。
（第三个创建：如果输入,判断PCB上有Clock Buffer导致时钟延迟不同，有的话创建虚拟时钟）

• rxd_pin: 捕获时钟的是 clk_rx 也就是200MHZ的时钟，和主时钟是一致的，是主时钟频率的倍数（1倍），因此不需要虚拟时钟
• txd_pin:没有随路时钟，需要虚拟时钟
• lb_sel_pin:捕获时钟是clk_tx（166.7MHZ），不是整数倍的主时钟关系，因此需要衍生时钟
• led_pins：捕获时钟是clk_tx（166.7MHZ），不是整数倍的主时钟关系，因此需要衍生时钟
• spi_mosi_pin,捕获时钟是spi_clk(166.7MHZ）,虽然不是整数倍的主时钟关系，但是有随路时钟，所以不需要虚拟时钟
• dac_*,捕获时钟是spi_clk(166.7MHZ）,虽然不是整数倍的主时钟关系，但是有随路时钟，所以不需要虚拟时钟

3.4 伪路径

• 跨时钟域的数据传输设置为伪路径
• 异步复位也需要添加为伪路径

3.5 多周期约束

暂时不管
在这里插入图片描述

4 实际项目约束

总结

• 建立时间和保持时间，主要的就是明白其保持和建立时间容限
• 记住信号的四种路径，时钟和数据的关系，时钟和时钟的关系。
• IO约束，一个是管脚，一个数据和时钟之间的延迟。数据和时间的延迟又分为是否为捕获时钟有还是没有（对于输入和输出都要判断），有时钟但是不满足和主时钟为整数倍的频率关系（衍生时钟）则需要虚拟时钟，否则不，对于输出也一样
• 内部时钟约束：单个时钟约束、时钟和时钟之间的约束（包括衍生时钟）
• 端到端
• 了解实际项目中，需要做什么约束

• 欢迎一起交流学习，如有错误之处，还请各位指正。

参考资料

[1] FPGA系列教学