兩種時(shí)序例外

多周期路徑

上面我們講的是時(shí)鐘周期約束，默認(rèn)按照單周期關(guān)系來(lái)分析數(shù)據(jù)路徑，即數(shù)據(jù)的發(fā)起沿和捕獲沿是最鄰近的一對(duì)時(shí)鐘沿。如下圖所示。

默認(rèn)情況下,保持時(shí)間的檢查是以建立時(shí)間的檢查為前提,即總是在建立時(shí)間的前一個(gè)時(shí)鐘周期確定保持時(shí)間檢查。這個(gè)也不難理解，上面的圖中，數(shù)據(jù)在時(shí)刻1的邊沿被發(fā)起，建立時(shí)間的檢查是在時(shí)刻2進(jìn)行，而保持時(shí)間的檢查是在時(shí)刻1（如果這里不能理解，再回頭看我們講保持時(shí)間章節(jié)的內(nèi)容），因此保持時(shí)間的檢查是在建立時(shí)間檢查的前一個(gè)時(shí)鐘沿。

但在實(shí)際的工程中，經(jīng)常會(huì)碰到數(shù)據(jù)被發(fā)起后，由于路徑過(guò)長(zhǎng)或者邏輯延遲過(guò)長(zhǎng)要經(jīng)過(guò)多個(gè)時(shí)鐘周期才能到達(dá)捕獲寄存器；又或者在數(shù)據(jù)發(fā)起的幾個(gè)周期后，后續(xù)邏輯才能使用。這時(shí)如果按照單周期路徑進(jìn)行時(shí)序檢查，就會(huì)報(bào)出時(shí)序違規(guī)。因此就需要我們這一節(jié)所講的多周期路徑了。

多周期約束的語(yǔ)句是：

set_multicycle_path  [-setup|-hold] [-start|-end][-from ] [-to ] [-through ]

對(duì)于建立時(shí)間，num_cycles是指多周期路徑所需的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)；對(duì)于保持時(shí)間，num_cycles是指相對(duì)于默認(rèn)的捕獲沿，實(shí)際捕獲沿應(yīng)回調(diào)的周期個(gè)數(shù)。

發(fā)起沿和捕獲沿可能是同一個(gè)時(shí)鐘，也可能是兩個(gè)時(shí)鐘，參數(shù)start和end就是選擇參考時(shí)鐘是發(fā)送端還是接收端。

• start表示參考時(shí)鐘為發(fā)送端（發(fā)端）所用時(shí)鐘，對(duì)于保持時(shí)間的分析，若后面沒(méi)有指定start或end，則默認(rèn)為為-start；
• end表示參考時(shí)鐘為捕獲端（收端）所用時(shí)鐘,對(duì)于建立時(shí)間的分析，若后面沒(méi)有指定start或end，則默認(rèn)為為-end；

上面這兩句話也不難理解，因?yàn)閟etup-time是在下一個(gè)時(shí)鐘沿進(jìn)行捕獲時(shí)的約束，因此默認(rèn)是對(duì)接收端的約束；而hold-up-time是對(duì)同一個(gè)時(shí)鐘沿的約束，目的是發(fā)送端不能太快，是對(duì)發(fā)送端的約束。

對(duì)于單周期路徑來(lái)說(shuō)，setup的num_cycles為1，hold的num_cycles為0.

多周期路徑要分以下幾種情況進(jìn)行分析：

1. 單時(shí)鐘域

即發(fā)起時(shí)鐘和捕獲時(shí)鐘是同一個(gè)時(shí)鐘，其多周期路徑模型如下圖所示。

單時(shí)鐘域的多周期路徑常見(jiàn)于帶有使能的電路中，我們以雙時(shí)鐘周期路徑為例，其實(shí)現(xiàn)電路如下：

若我們沒(méi)有指定任何的約束，默認(rèn)的建立/保持時(shí)間的分析就像我們上面所講的單周期路徑，如下圖所示。

但由于我們的的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)時(shí)鐘周期才被捕獲，因此建立時(shí)間的分析時(shí)需要再延遲一個(gè)周期的時(shí)間。

采用如下的時(shí)序約束：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]

在建立時(shí)間被修改后，保持時(shí)間也會(huì)自動(dòng)調(diào)整到捕獲時(shí)鐘沿的前一個(gè)時(shí)鐘沿，如下圖所示。

很明顯，這個(gè)保持時(shí)間檢查是不對(duì)的，因?yàn)楸３謺r(shí)間的檢查針對(duì)的是同一個(gè)時(shí)鐘沿，因此我們要把保持時(shí)間往回調(diào)一個(gè)周期，需要再增加一句約束：

set_multicycle_path 1 -hold -end -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

這里加上-end參數(shù)是因?yàn)槲覀円巡东@時(shí)鐘沿往前移，因此針對(duì)的是接收端，但由于我們這邊講的是單時(shí)鐘域，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘是同一個(gè)，因此-end可以省略。這樣，完整的時(shí)序約束如下：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]
set_multicycle_path 1 -hold  -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

約束完成后，建立保持時(shí)間檢查如下圖所示。

在單時(shí)鐘域下，若數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)N個(gè)周期到達(dá)，則約束示例如下：

set_multicycle_path N -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]
set_multicycle_path N-1 -hold  -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

2. 時(shí)鐘相移

前面我們討論的是在單時(shí)鐘域下，發(fā)送端和接收端時(shí)鐘是同頻同相的，如果兩個(gè)時(shí)鐘同頻不同相怎么處理？

如上圖所示，時(shí)鐘周期為4ns，接收端的時(shí)鐘沿比發(fā)送端晚了0.3ns，若不進(jìn)行約束，建立時(shí)間只有0.3ns，時(shí)序基本不可能收斂；而保持時(shí)間則為3.7ns，過(guò)于豐富。可能有的同學(xué)對(duì)保持時(shí)間會(huì)有疑惑，3.7ns是怎么來(lái)的？還記得我們上面講的保持時(shí)間的定義么，在0ns時(shí)刻，接收端捕獲到發(fā)送的數(shù)據(jù)后，要再過(guò)3.7ns的時(shí)間發(fā)送端才會(huì)發(fā)出下一個(gè)數(shù)據(jù)，因此本次捕獲的數(shù)據(jù)最短可持續(xù)3.7ns，即保持時(shí)間為3.7ns。

因此，在這種情況下，我們應(yīng)把捕獲沿向后移一個(gè)周期，約束如下：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

對(duì)setup約束后，hold會(huì)自動(dòng)向后移動(dòng)一個(gè)周期，此時(shí)的建立保持時(shí)間檢查如下：

那如果接收端的時(shí)鐘比發(fā)送端的時(shí)鐘超前了怎么處理？

同樣的，時(shí)鐘周期為4ns，但接收端時(shí)鐘超前了0.3ns，從圖中可以看出，此時(shí)setup是3.7ns，而保持時(shí)間是0.3ns。這兩個(gè)時(shí)間基本已經(jīng)滿足了Xilinx器件的要求，因此無(wú)需進(jìn)行約束。

3. 慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘的多周期

當(dāng)發(fā)起時(shí)鐘慢于捕獲時(shí)鐘時(shí)，我們應(yīng)該如何處理？

假設(shè)捕獲時(shí)鐘頻率是發(fā)起時(shí)鐘頻率的3倍，在沒(méi)有任何約束的情況下，Vivado默認(rèn)會(huì)按照如下圖所示的建立保持時(shí)間進(jìn)行分析。

但我們可以通過(guò)約束讓建立時(shí)間的要求更容易滿足，即

set_multicycle_path 3 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

跟上面講的一樣，設(shè)置了setup，hold會(huì)自動(dòng)變化，但我們不希望hold變化，因此再增加：

set_multicycle_path 2 -hold -end -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

這里由于發(fā)起和捕獲是兩個(gè)時(shí)鐘，因此-end參數(shù)是不可省的。加上時(shí)序約束后，Vivado會(huì)按照下面的方式進(jìn)行時(shí)序分析。

4. 快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的多周期

當(dāng)發(fā)起時(shí)鐘快于捕獲時(shí)鐘時(shí)，我們應(yīng)該如何處理？

假設(shè)發(fā)起時(shí)鐘頻率是捕獲時(shí)鐘頻率的3倍，在沒(méi)有任何約束的情況下，Vivado默認(rèn)會(huì)按照如下圖所示的建立保持時(shí)間進(jìn)行分析。

同理，我們可以通過(guò)約束，讓時(shí)序條件更加寬裕。

set_multicycle_path 3 -setup -start -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_multicycle_path 2 -hold -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

這里的hold約束中沒(méi)有加-end參數(shù)，這樣的話默認(rèn)就是-start，是因?yàn)槲覀儼寻l(fā)起時(shí)鐘回調(diào)2個(gè)周期，如下圖所示。

針對(duì)上面講的幾種多周期路徑，總結(jié)如下：

偽路徑

什么是偽路徑？偽路徑指的是該路徑存在，但該路徑的電路功能不會(huì)發(fā)生或者無(wú)須時(shí)序約束。如果路徑上的電路不會(huì)發(fā)生，那Vivado綜合后會(huì)自動(dòng)優(yōu)化掉，因此我們無(wú)需考慮這種情況。

為什么要?jiǎng)?chuàng)建偽路徑？創(chuàng)建偽路徑可以減少工具運(yùn)行優(yōu)化時(shí)間,增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果,避免在不需要進(jìn)行時(shí)序約束的地方花較多時(shí)間而忽略了真正需要進(jìn)行優(yōu)化的地方。

偽路徑一般用于：
? 跨時(shí)鐘域
? 一上電就被寫入數(shù)據(jù)的寄存器
? 異步復(fù)位或測(cè)試邏輯
? 異步雙端口RAM

可以看出，偽路徑主要就是用在異步時(shí)鐘的處理上，我們上一節(jié)講的多周期路徑中，也存在跨時(shí)鐘域的情況的，但上面我們講的是兩個(gè)同步的時(shí)鐘域。

偽路徑的約束為：

set_false_path [-setup] [-hold] [-from ] [-to ] [-through ]

• -from的節(jié)點(diǎn)應(yīng)是有效的起始點(diǎn).有效的起始點(diǎn)包含時(shí)鐘對(duì)象,時(shí)序單元的clock引腳,或者input(or inout)原語(yǔ);
• -to的節(jié)點(diǎn)應(yīng)包含有效的終結(jié)點(diǎn).一個(gè)有效的終結(jié)點(diǎn)包含時(shí)鐘對(duì)象,output(or inout)原語(yǔ)端口,或者時(shí)序功能單元的數(shù)據(jù)輸入端口;
• -through的節(jié)點(diǎn)應(yīng)包括引腳,端口,或線網(wǎng).當(dāng)單獨(dú)使用-through時(shí),應(yīng)注意所有路徑中包含-through節(jié)點(diǎn)的路徑都將被時(shí)序分析工具所忽略.

需要注意的是，-through是有先后順序的，下面的兩個(gè)約束是不同的約束：

set_false_path -through cell1/pin1 -through cell2/pin2
set_false_path -through cell2/pin2 -through cell1/pin1

因?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)的先后順序不同，偽路徑的約束是單向的，并非雙向的，若兩個(gè)時(shí)鐘域相互之間都有數(shù)據(jù)傳輸，則應(yīng)采用如下約束：

set_false_path -from [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]
set_false_path -from [get_clocks clk2] -to [get_clocks clk1]

也可以直接采用如下的方式，與上述兩行約束等效：

set_clock_groups -async -group [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]

還有一些其他的約束，比如case analysis、disabling timing和bus_skew等，由于平時(shí)用的比較少，這里就不講了。