FPGA时序分析基础（二）：vivado中常用的时序约束命令

一、vivado中cell port net 和pin之间的关系

• cell 一般指我们在代码中实例化的模块，也可以是我们综合后可以看到的LUT、block RAM 、DSP、MMCM以及PLL等。
• pin 每个cell都有相应的pin，也即模块的输入输出信号，并非芯片的引脚。
• net 即pin与pin之间的连线
• port 我们在顶层文件中声明的输入输出信号，与FPGA外部的芯片进行通信的管脚
• package pin 即FPGA的实际的物理引脚，也即大家在实现时为每个端口分配的引脚号。

二、基本的命令 get_*

• -hier 即遍历每一层去寻找目标
  
  e.g. 上图为我们设计的top层包含两个模块A和B ，其中A包含A1和A2 ,B 包含B1和B2.
  对于命令 get_cells {A* B*} 返回的结果为 A 　 B
  命令get_cells -hier {A* B*} 返回的结果为 A　 A/A1　 A/A2　 B　 B/B1　 B/B2
• -of 即在-of 后面的结果中搜寻
  e.g. 命令get_nets -of [get_cells demuxstate] 此命令返回所有与cell demuxstate相连的nets
• -filter 即得到满足相条件的目标
  
• Tips
  1.[ ]： 在TCL命令中括号的代码会被当做表达式（变量，或函数）执行

2. { }： Tcl 中的大括号除了用作分割代码片段外（如 if while 这样的语句需要用大括号），还被用来做字符串表达。与双引号不同的是其中的方括号中的表达式不会被执行。
   3. . 和 * ： 为通配符 点表示一位而星号表示多位

三、时序分析中常用的约束命令

• 创建基本的时钟约束语句

  • Primary clock 为我们板子的主时钟，一般通过CC引脚输入FPGA 在进行时序约束之前必须首先定义一个primary clock。
    
    创建上图的时钟tcl命令如下：

     	1. creat_clock -period 10 [get_ports sysclk]
    

    • Genrated Clock 有两类时钟一是用户自定义，而是自动推断的时钟

      1. 用户自动的时钟 一般是用户通过代码产生的时钟，需要通过相应的tcl命令来告诉综合器哪些为时钟信号。
         e.g.
         

      	1. creat_clock -name clkin -period 10 [get_ports clkin] #创建primary clock
      	2. creat_generated_clock  -name clkdiv2 -source [get_ports clkin] -divide_by 2 [get_pins REGA/Q]	
      

      2. 自动推断时钟 通过MMCM PLL或BUFR源语产生的时钟

    • Clock Group 即对时钟进行分类与分组

      1. 异步时钟组 对于异步的时钟，我们需要告诉时序约束工具不同时钟间的异步关系
         

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

      通过 set_clock_groups来告诉时序分析工具 clk0和clk1为异步时钟，涉及跨时钟域的部分可以不用分析，但是这并不是说跨时钟域电路可以正常的工作,需要通过良好的设计来保证时序的正确。另外我我们也可以通过set_false_path来告诉时序分析工具某条时序不需要分析，但是其实单向的。

      2. Exclusive Clock Groups

      
      尽管有两个同步时钟clk0和clk1但是这两个时钟在同一是时刻只有一个起作用，所以需要告诉时序分析工具，此两个时钟为 exclusive clocks ，不需要同时进行时序分析

      set_clock_groups -name exclusive_clk0_clk1 -physically_exclusive   \
      -group  clk0   -group  clk1
      

      3. Unexpandable Clock Groups即时钟周期没有做大公倍数，此时时序工具也无法分析，我们可以通过改变周期，如果设计要求无法改变，我们可以通过set_false_path来告诉时序分析工具。

• 创建输入时钟约束语句

  • Input delay
    
    图中蓝色虚线部分即为输入延时，包含全部的源时钟延时和信号进入FPGA芯片内部之前的数据延时
    设置输入延时的大小命令如下：

    	creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
    	set_input_delay -clock sysclk 4 [get_ports din]
    	
    

  • 完整的静态时序约束
    
    一个完整的时序路径即源时钟延迟、数据路径延迟和目的时钟延迟构成一个源.

       creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
     	 set_input_delay -clock sysclk -max 4 [get_ports ain]
       set_input_delay -clock sysclk -min 2 [get_ports ain]
  

• 创建输出时钟约束语句

  • Output Delay
    
    图中蓝色虚线即为输出延时 设置输出延时命令为：

  	creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
  	set_output_delay -clock sysclk [get_ports din]
  

  • 完整静态时钟约束
    
    注意输入时钟延迟和输出时钟延迟的不同 由于输入数据路径不包括Tsu 和Thold 所以其最小值大于都等于0 ，而输出延时中数据路径延时包含Tsu 和Thold时间，所以其最小值一般为负。

creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
set_output_delay -clock sysclk -max 2 [get_ports dout]
srt_output_delay -clock sysclk -min -1 [get_ports dout]

• 创建虚拟时钟约束语句

  • 虚拟时钟的两种应用场景

    1. 外部器件的频率和FPGA内部的频率不同
       

    creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
    creat_clock -name vclk -period 5
    set_input_delay 6 -clock sysclk [get_ports dina]
    set_input_delay 6 -clock vclk [get_ports dinb]
    

    注意 vclk的时钟频率和internal clock的时钟频率相同

    2. 虽为同一个时钟，但是外部有一个时钟延时
       

    		creat_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
            creat_clock -name vclk -period 5
            set_clock_latency -source 1 [get_clocks vclk]
           	set_input_delay  -clock vclk -max 4 [get_ports dina]
        	set_input_delay  -clock vclk -max 2 [get_ports dina]
    

    虚拟时钟只能用于IO时序分析，其与实体时钟的一个本质区别是虚拟时钟，不与任何管脚绑定。

• 创建多周期时钟约束语句
  多周期时钟路径是为了放松相应时序电路的要求
  
  由于ce（假设ce一周期为高一周期）的控制，此电路实际的周期为clk的2倍，因此我们不必以clk的周期来对此电路进行时序分析，为此我们需要设置一个周期为clk两倍的时序分析。
  
  图中红色虚线是为时序分析时默认的捕获沿，而我们其实无需这么苛刻的时序要求，因此我们需要告诉工具实际的分析点是图中2的位置。
  
  由于我们重新指定setup的分析点为2 所以默认的hold点变为1，我们需要重新制定0为实际的分析点。

set_multicycle_path -from [get_cells rega] -to [get_cells regb] -setup -end 2
set_multicycle_path -from [get_cells rega] -to [get_cells regb] -hold -end 1 

-setup表示该周期路径所需要的时钟周期的个数；-hold表示相对于缺省的捕获沿，实际捕获沿迎回调的周期
-end和-start是指上面所说时钟周期个数的参考时钟，-end表示参考时钟为捕获端所用时钟，也就是驱动regb的时钟，并非指捕获沿 -start表示参考时钟为发送端所用时钟，也就是去驱动rega的时钟，并非指发送沿。

• 创建伪路径时钟约束语句
  伪路径是指存在我们的设计当中，但是没有发挥真正的功能，因此我们无需对其进行分析。这样就可以给我们带来一些好处，比如去除无效的时序路径，节约时间和资源（综合器跳过对伪路径的优化）。
  
  上图中是典型的跨时钟域设计中拍二拍电路，其中蓝色圈中的电路我们无需对其进行时序分析，因此我们可以做如下约束：

set_false_path -from [get_clocks clka] -to [get_clocks clkb]
set_false_path -from [get_clocks clkb] -to [get_clocks clka] 

上面的语句和时钟分组约束的效果是一样的。