【 FPGA 】Xilinx设计约束（XDC）中时钟约束的表示方法

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时钟描述

基本时钟

虚拟时钟

生成时钟

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时钟描述

（1）clk0的时钟属性：周期为10ns，占空比为50%，相移为0ns；（相移也可以用°来表示，例如相移位0°，相移为90°等）

（2）clk1的时钟属性：周期为8ns，占空比为75%，相移为2ns；（相移为2ns，也就是相移为90°）

描述时钟，默认第一个值为上升沿，占空比是高电平占周期的比。

则上图中时钟的描述方法可以为：

（1）clk0: period = 10, waveform = {0 5}

（2）clk1: period = 8, waveform = {2 8}

周期和波形属性表示了一个时钟的理想特性。点进入FPGA元器件或者通过时钟树传播时，时钟边沿存在延迟，并且由于噪声和硬件行为导致时钟发生变化，这些特性称为时钟网络延迟和时钟的不确定性。不确定性包括时钟抖动、相位误差，以及由设计者指定的任何其他不确定性。

通常，由板上的元器件通过FPGA输入引脚为FPGA中的时钟资源提供时钟。此外也可以通过FPGA内称为时钟修改模块的特殊原语生成时钟，如MMCM，DCM，PLL等。

基本时钟

一个基本时钟是指PCB上的时钟，它通过下面方式输入设计中：

（1）一个输入端口；

（2）一个吉比特收发器输出引脚。

下面给出一个基本时钟例子：

在这个例子中，通过名字为“sysclk”的端口，将PCB上的时钟引入FPGA元器件中，并且通过输入缓冲器和一个时钟缓冲器，最终到达路径上的寄存器。该时钟的属性为：周期为10ns，占空比为50%，无相移。

在Xilinx设计约束中（XDC），将该时钟约束表示为：

create_clock -period 10 [get_ports sysclk]

类似地，PCB上一个名为“devclk”的时钟通过端口CLKIn输入FPGA内。该时钟属性为：周期为10ns，占空比为25%，相移为90°。则在XDC，将时钟约束表示为：

create_clock -period 10 -waveform{2.5 5} [get_ports CLKIn]

下面给出一个GT基本时钟的例子。

一个收发器gt0用于从PCB的一个高速链路中恢复时钟rxclk，该时钟属性为：周期为3.33ns，占空比为50%，该时钟连接mmcm0，该模块生成一些补偿后的时钟，用于设计。

在XDC，将该时钟约束表示为：

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

虚拟时钟

昨天博文写到这里就断了，因为傻傻弄不明白虚拟时钟是什么意思？

今天看了博文，恍然大悟，博文链接：https://www.cnblogs.com/IClearner/p/6658822.html

作者以多时钟同步约束为话题，提到了虚拟时钟，这里借用一下：

我们要综合的模块的时钟是CLKC，但是前后模块的时钟不一定是CLKC，但是前后模块的时钟跟CLKC是来源于同一个时钟的，比如说经过锁相环分频或者倍频，这里拿分频来举例，比如说CLKA、 CLKB、CLKC、CLKD、CLKE都是由同一个时钟CLK经过分频得来，如下图所示：

在我们要综合的电路中，只有一个时钟端口CLKC，即只有CLKC时钟驱动要综合电路中的寄存器。其他的时钟CLKA,CLKB，CLKD和CLKE在我们要综合的电路中并没有对应的时钟端口。因此，它们并不驱动要综合电路中的任何寄存器。它们主要用于为输入/输出端口延时作约束，可能会出现一个端口有多个约束的情况。

下面我们根据上面的例子作多时钟的同步设计约束，也就是为下面的电路类型做约束：

CLKC在要综合的设计中有对应的输入端口，其定义与单时钟时一样，即:

　　　　　　　　　　　　　　create_clock  -period  20  [get_ports CLKC]

　　由于CLKA,CLKD和CLKE在要综合的设计中没有对应的输入端口，因此需要使用虚拟(virtual)时钟。虚拟时钟在设计里并不驱动触发任何的寄存器，它主要用于说明相对于时钟的I/O端口延迟，DC将根据这些约束，决定设计中最严格的约束。建立虚拟时钟的格式如下：

上面定义了名字为VCLK的虚拟时钟，周期为20ns。因为虚拟时钟不驱动设计中的任何寄存器，设计中没有其对应的输入端口。所以定义中没有源端口或引脚。由于虚拟时钟没有对应的时钟端口，我们必须给它一个名字。与一般时钟一样，虚拟时钟是DC的内存里已定义的时钟物体（设计对象），它(们)不驱动(触发)当前设计中的任何寄存器。用作为输入/输出端口设置延迟。

就到这里，具体的话还是要看，参考的博文。

不得不说，互联网上的高人还是很多的，很多写书人以及讲课人根本就没有考虑到去解释什么是虚拟时钟，就连何宾老师的Xilinx FPGA权威设计指南，这块写的也是让人一头雾水，不知所云，更别提一些视频上的说法了，直接略过。这里感谢上面的博主。

这里需要重点说明的是，在输入输出延迟约束中使用虚拟时钟前，一定要首先定义虚拟时钟。

至于输入和输出延迟约束的问题，会有专门的博文来总结。

生成时钟

生成时钟由设计内特殊的称之为时钟修改模块（例如MMCM）的单元或者一些逻辑生成，生成时钟总是和一个基本时钟或者其他生成时钟相关。通过它们的主时钟，可以直接得到生成时钟的属性。在生成时钟中，不指定它们的周期和波形，而是设计者描述正在修改的电路如何对主时钟进行变换。

首先定义所有的基本时钟，它们用于定义所要生成的时钟。

1）用户定义的时钟

通过命令create_generated_clock定义用于所需要的时钟；

将其连接到一个网表对象，最好是时钟树根引脚。

使用“-source”选项指定主时钟，该选项表示在设计中通过一个引脚或者端口传播主时钟。常见的是，“-source”选项可以使用主时钟源点或者生成时钟源单元的输入时钟引脚。

如下图给出一个生成时钟的例子：该例中基本时钟的周期是10ns，通过REGA进行二分频，该分频时钟驱动另一个寄存器的时钟引脚。相应的，将生成的时钟称为clkdiv2.

在XDC中，其等效的约束表示为：

先列出基本时钟：

create_clock -name clkin -period 10 [get_ports clkin]

生成时钟可以由两种方式写出：

（1）

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

（2）

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

此外，可以不适用-divide_by选项，而是用-edge选项代替它，根据主时钟的沿直接描述生成时钟的波形。它的参数是主时钟边沿的索引，以列表形式给出。该列表用于定义生成时钟沿的位置，它起始于时钟的上升沿。

如：

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

当需要相移时，可以使用选项"-edge_shift",可以对生成时钟波形的每个沿移动正值或者负值。

见下面这个例子：

clkin是主时钟，其属性可以表示为：周期为10ns，占空比为50%。该时钟最终连接mmcm0模块，由该模块产生一个时钟，其属性表示为：占空比为25%，相移为90°。这个生成时钟参照主时钟沿1、2和3定义，这些沿发生在0ns，5ns，和10ns。为了得到希望的波形，将第一个和第三个沿移动2.5ns。

在XDC中，该生成时钟表示为：

create_clock -name clkin -period 10 [get_ports clkin]

create_generated_clock -name clkshift -source [get_pins mmcm0/CLKIN] -edge {1 2 3} -edge_shift {2.5 0 2.5} [get_pins mmcm0/CLKOUT]

同样是针对上面的那个图，这里给出最后一个例子，我们要产生一个生成时钟，它是对主时钟乘以4/3.在XDC中，推荐将生成的时钟表示为：

created_generated_clock -name clk43 -source [get_pins mmcm0/CLKIN] -multiply_by 4 -divide_by 3 [get_pins mmcm0/CLKOUT]

2)自动得到的时钟

自动得到的时钟也称为自动生成的时钟。Vivado集成开发环境在时钟修改模块（Clock Modifying Blocks，CMB）的输出引脚自动创建这些约束。（CMB是MMCM、PLL原语）

如果在相同的网表对象上定义了用户（基本的或者生成的）时钟，则不会创建自动生成的时钟。自动生成的时钟的名字取决于和定义点直接相连的网络名字。

下图给出一个例子：

该例子说明了由MMCM生成的时钟。在该例子中，主时钟clkin驱动clkip/mmcm0的CLKIN输入。自动生成的时钟名字是“cpuclk”，它的定义点是“clkip/mmcm0/CLKOUT”。

可以使用命令：

get_clocks -of_objects 查询自动生成的时钟。

 

这篇博文暂时讲到这里，下篇博文继续讲解相关内容。

本文总结参考文献：Xilinx FPGA权威设计指南——Vivado 2014集成开发环境

https://www.cnblogs.com/IClearner/p/6658822.html