FPGA時(shí)序案例分析之時(shí)鐘周期約束

時(shí)鐘周期約束

時(shí)鐘周期約束，顧名思義，就是我們對(duì)時(shí)鐘的周期進(jìn)行約束，這個(gè)約束是我們用的最多的約束了，也是最重要的約束。

下面我們講一些Vivado中時(shí)鐘約束指令。

1. Create_clock

在Vivado中使用create_clock來(lái)創(chuàng)建時(shí)鐘周期約束。使用方法為：

create_clock -name  -period  -waveform { } [get_ports ]

這里的時(shí)鐘必須是主時(shí)鐘primary clock，主時(shí)鐘通常有兩種情形:一種是時(shí)鐘由外部時(shí)鐘源提供，通過(guò)時(shí)鐘引腳進(jìn)入FPGA，該時(shí)鐘引腳綁定的時(shí)鐘為主時(shí)鐘:另一種是高速收發(fā)器(GT)的時(shí)鐘RXOUTCLK或TXOUTCLK。對(duì)于7系列FPGA，需要對(duì)GT的這兩個(gè)時(shí)鐘手工約束：對(duì)于UltraScale FPGA，只需對(duì)GT的輸入時(shí)鐘約束即可，Vivado會(huì)自動(dòng)對(duì)這兩個(gè)時(shí)鐘約束。

如何確定主時(shí)鐘是時(shí)鐘周期約束的關(guān)鍵，除了根據(jù)主時(shí)鐘的兩種情形判斷之外，還可以借助Tcl腳本判斷。

在vivado自帶的example project里面，打開CPU(HDL)的工程，如下圖所示。

把工程的xdc文件中，create_clock的幾項(xiàng)都注釋掉。這里解釋下端口（Port）和管腳（Pin）。get_ports獲取的是FPGA的IO端口，get_pins獲取的是FPGA內(nèi)部子模塊的Pin，具體的我們?cè)诘?4講的Tcl命令中會(huì)講到。

再Open Synthesized Design或者Open Implementation Design，并通過(guò)以下兩種方式查看主時(shí)鐘。

? 方式一

運(yùn)行tcl指令report_clock_networks -name mainclock，顯示結(jié)果如下：

? 方式二

運(yùn)行tcl指令check_timing -override_defaults no_clock，顯示結(jié)果如下：

Vivado中的tcl命令行相當(dāng)好用，有很多的功能，大家可以開始習(xí)慣用起來(lái)了。

對(duì)于高速收發(fā)器的時(shí)鐘，我們也以Vivado中的CPU example工程為例，看下Xilinx官方是怎么約束的。

# Define the clocks for the GTX blocks
create_clock -name gt0_txusrclk_i -period 12.8 [get_pins mgtEngine/ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gt0_ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gtxe2_i/TXOUTCLK]
create_clock -name gt2_txusrclk_i -period 12.8 [get_pins mgtEngine/ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gt2_ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gtxe2_i/TXOUTCLK]
create_clock -name gt4_txusrclk_i -period 12.8 [get_pins mgtEngine/ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gt4_ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gtxe2_i/TXOUTCLK]
create_clock -name gt6_txusrclk_i -period 12.8 [get_pins mgtEngine/ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gt6_ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gtxe2_i/TXOUTCLK]

當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)主時(shí)鐘，且這幾個(gè)主時(shí)鐘之間存在確定的相位關(guān)系時(shí)，需要用到-waveform參數(shù)。如果有兩個(gè)主時(shí)鐘，如下圖所示。

則時(shí)鐘約束為：

create_clock -name clk0 -period 10.0 -waveform {0 5} [get_ports clk0]
create_clock -name clk1 -period 8.0 -waveform {2 8} [get_ports clk1]

約束中的數(shù)字的單位默認(rèn)是ns，若不寫wavefrom參數(shù)，則默認(rèn)是占空比為50%且第一個(gè)上升沿出現(xiàn)在0時(shí)刻。使用report_clocks指令可以查看約束是否生效。還是上面的CPU的例子，把約束都還原到最初的狀態(tài)。執(zhí)行report_clocks后，如下所示，我們只列出其中幾項(xiàng)內(nèi)容。

Clock Report

Clock           Period(ns)  Waveform(ns)    Attributes  Sources
sysClk          10.000      {0.000 5.000}   P           {sysClk}
gt0_txusrclk_i  12.800      {0.000 6.400}   P           {mgtEngine/ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gt0_ROCKETIO_WRAPPER_TILE_i/gtxe2_i/TXOUTCLK}
...


====================================================
Generated Clocks
====================================================

Generated Clock   : clkfbout
Master Source     : clkgen/mmcm_adv_inst/CLKIN1
Master Clock      : sysClk
Multiply By       : 1
Generated Sources : {clkgen/mmcm_adv_inst/CLKFBOUT}

Generated Clock   : cpuClk_4
Master Source     : clkgen/mmcm_adv_inst/CLKIN1
Master Clock      : sysClk
Edges             : {1 2 3}
Edge Shifts(ns)   : {0.000 5.000 10.000}
Generated Sources : {clkgen/mmcm_adv_inst/CLKOUT0}
...

一般來(lái)講，我們的輸入時(shí)鐘都是差分的，此時(shí)我們只對(duì)P端進(jìn)行約束即可。如果同時(shí)約束了P端和N端，通過(guò)report_clock_interaction命令可以看到提示unsafe。這樣既會(huì)增加內(nèi)存開銷，也會(huì)延長(zhǎng)編譯時(shí)間。

2. create_generated_clock

其使用方法為：

create_generated_clock -name  /
                       -source  /
                       -multiply_by  /
                       -divide_by  /
                       -master_clock  /
                       

從名字就能看出來(lái)，這個(gè)是約束我們?cè)贔PGA內(nèi)部產(chǎn)生的衍生時(shí)鐘， 所以參數(shù)在中有個(gè)-source，就是指定這個(gè)時(shí)鐘是從哪里來(lái)的，這個(gè)時(shí)鐘叫做master clock，是指上級(jí)時(shí)鐘，區(qū)別于primary clock。

它可以是我們上面講的primary clock，也可以是其他的衍生時(shí)鐘。該命令不是設(shè)定周期或波形，而是描述時(shí)鐘電路如何對(duì)上級(jí)時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

這種轉(zhuǎn)換可以是下面的關(guān)系：
-簡(jiǎn)單的頻率分頻
-簡(jiǎn)單的頻率倍頻
-頻率倍頻與分頻的組合，獲得一個(gè)非整數(shù)的比例，通常由MMCM或PLL完成
-相移或波形反相
-占空比改變
-上述所有關(guān)系的組合

衍生時(shí)鐘又分兩種情況：
① Vivado自動(dòng)推導(dǎo)的衍生時(shí)鐘
② 用戶自定義的衍生時(shí)鐘

首先來(lái)看第一種，如果使用PLL或者M(jìn)MCM，則Vivado會(huì)自動(dòng)推導(dǎo)出一個(gè)約束。大家可以打開Vivado中有個(gè)叫wavegen的工程，在這個(gè)工程中，輸入時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL輸出了2個(gè)時(shí)鐘，如下圖所示。

但在xdc文件中，并未對(duì)這2個(gè)輸出時(shí)鐘進(jìn)行約束，只對(duì)輸入的時(shí)鐘進(jìn)行了約束，若我們使用report_clocks指令，則會(huì)看到：

注：有三個(gè)約束是因?yàn)镻LL會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)反饋時(shí)鐘

自動(dòng)推導(dǎo)的好處在于當(dāng)MMCM/PLL/BUFR的配置改變而影響到輸出時(shí)鐘的頻率和相位時(shí)，用戶無(wú)需改寫約束，Vivado仍然可以自動(dòng)推導(dǎo)出正確的頻率/相位信息。劣勢(shì)在于，用戶并不清楚自動(dòng)推導(dǎo)出的衍生鐘的名字，當(dāng)設(shè)計(jì)層次改變時(shí)，衍生鐘的名字也有可能改變。但由于該衍生時(shí)鐘的約束并非我們自定義的，因此可能會(huì)沒(méi)有關(guān)注到它名字的改變，當(dāng)我們使用者這些衍生時(shí)鐘進(jìn)行別的約束時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

解決辦法是用戶自己手動(dòng)寫出自動(dòng)推導(dǎo)的衍生時(shí)鐘的名字，也僅僅寫出名字即可，其余的不寫。如下所示。

create_generated_clock -name  /
                       -source 

這一步很容易會(huì)被提示critical warning，其實(shí)有個(gè)很簡(jiǎn)單的方法，就是name和source都按照vivado中生成的來(lái)。具體我們到后面的例子中會(huì)講到。

3. set_clock_groups

使用方法為：

set_clock_groups -asynchronous -group  -group 
 set_clock_groups -physically_exclusive  -group  -group 

這個(gè)約束常用的方法有三種，第一種用法是當(dāng)兩個(gè)主時(shí)鐘是異步關(guān)系時(shí)，使用asynchronous來(lái)指定。這個(gè)在我們平時(shí)用的還是比較多的，一般稍微大點(diǎn)的工程，都會(huì)出現(xiàn)至少兩個(gè)主時(shí)鐘，而且這兩個(gè)時(shí)鐘之間并沒(méi)有任何的相位關(guān)系，這時(shí)就要指定：

create_clock -period 10 -name clk1 [get_ports clk1]
create_clock -period 8 -name clk2 [get_ports clk2]
set_clock_groups -asynchronous -group clk1 -group clk2

第二種用法是當(dāng)我們需要驗(yàn)證同一個(gè)時(shí)鐘端口在不同時(shí)鐘頻率下能否獲得時(shí)序收斂時(shí)使用。比如有兩個(gè)異步主時(shí)鐘clk1和clk2，需要驗(yàn)證在clk2頻率為100MHz，clk1頻率分別為50MHz、100MHz和200MHz下的時(shí)序收斂情況，我們就可以這樣寫。

create_clock -name clk1A -period 20.0 [get_ports clk1]
create_clock -name clk1B -period 10.0 [get_ports clk1] -add
create_clock -name clk1C -period 5.0  [get_ports clk1] -add 
create_clock -name clk2 -period 10.0 [get_ports clk2]
set_clock_groups -physically_exclusive -group clk1A -group clk1B -group clk1C
set_clock_groups -asynchronous -group "clk1A clk1B clk1C" -group clk2

第三種用法就是當(dāng)我們使用BUFGMUX時(shí)，會(huì)有兩個(gè)輸入時(shí)鐘，但只會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘被使用。比如MMCM輸入100MHz時(shí)鐘，兩個(gè)輸出分別為50MHz和200MHz，這兩個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入了BUFGMUX，如下圖所示。

在這種情況下，我們需要設(shè)置的時(shí)序約束如下：

set_clock_groups -logically_exclusive /
-group [get_clocks -of [get_pins inst_mmcm/inst/mmcm_adv_inst/CLKOUT0]] /
-group [get_clocks -of [get_pins inst_mmcm/inst/mmcm_adv_inst/CLKOUT1]]

4. 創(chuàng)建虛擬時(shí)鐘

虛擬時(shí)鐘通常用于設(shè)定對(duì)輸入和輸出的延遲約束，這個(gè)約束其實(shí)是屬于IO約束中的延遲約束，之所以放到這里來(lái)講，是因?yàn)樘摂M時(shí)鐘的創(chuàng)建，用到了本章節(jié)講的一些理論。虛擬時(shí)鐘和前面講的延遲約束的使用場(chǎng)景不太相同。顧名思義，虛擬時(shí)鐘，就是沒(méi)有與之綁定的物理管腳。

虛擬時(shí)鐘主要用于以下三個(gè)場(chǎng)景：
? 外部IO的參考時(shí)鐘并不是設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘
? FPGA I/O路徑參考時(shí)鐘來(lái)源于內(nèi)部衍生時(shí)鐘，但與主時(shí)鐘的頻率關(guān)系并不是整數(shù)倍
? 針對(duì)I/O指定不同的jitter和latency

簡(jiǎn)而言之，之所以要?jiǎng)?chuàng)建虛擬時(shí)鐘，對(duì)于輸入來(lái)說(shuō)，是因?yàn)檩斎氲紽PGA數(shù)據(jù)的捕獲時(shí)鐘是FPGA內(nèi)部產(chǎn)生的，與主時(shí)鐘頻率不同；或者PCB上有Clock Buffer導(dǎo)致時(shí)鐘延遲不同。對(duì)于輸出來(lái)說(shuō)，下游器件只接收到FPGA發(fā)送過(guò)去的數(shù)據(jù)，并沒(méi)有隨路時(shí)鐘，用自己內(nèi)部的時(shí)鐘去捕獲數(shù)據(jù)。

如下圖所示，在FPGA的A和B端口分別有兩個(gè)輸入，其中捕獲A端口的時(shí)鐘是主時(shí)鐘，而捕獲B端口的時(shí)鐘是MMCM輸出的衍生時(shí)鐘，而且該衍生時(shí)鐘與主時(shí)鐘的頻率不是整數(shù)倍關(guān)系。

這種情況下時(shí)序約束如下：

create_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
create_clock -name virclk -period 6.4
set_input_delay 2 -clock sysclk [get_ports A]
set_input_delay 2 -clock virclk [get_ports B]

可以看到，創(chuàng)建虛擬時(shí)鐘用的也是create_clock約束，但后面并沒(méi)有加get_ports參數(shù)，因此被稱為虛擬時(shí)鐘。

再舉個(gè)輸出的例子，我們常用的UART和SPI，當(dāng)FPGA通過(guò)串口向下游器件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，僅僅發(fā)過(guò)去了uart_tx這個(gè)數(shù)據(jù)，下游器件通過(guò)自己內(nèi)部的時(shí)鐘去捕獲uart_tx上的數(shù)據(jù)，這就需要通過(guò)虛擬時(shí)鐘來(lái)約束；而當(dāng)FPGA通過(guò)SPI向下游器件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)送sclk/sda/csn三個(gè)信號(hào)，其中sclk就是sda的隨路時(shí)鐘，下游器件通過(guò)sclk去捕獲sda的數(shù)據(jù)，而不是用自己內(nèi)部的時(shí)鐘，這是就不需要虛擬時(shí)鐘，直接使用set_output_delay即可。

注意，虛擬時(shí)鐘必須在約束I/O延遲之前被定義。

5. 最大最小延遲約束

顧名思義，就是設(shè)置路徑的max/min delay，主要應(yīng)用場(chǎng)景有兩個(gè)：
? 輸入管腳的信號(hào)經(jīng)過(guò)組合邏輯后直接輸出到管腳
? 異步電路之間的最大最小延遲

設(shè)置方式為：

set_max_delay  [-datapath_only] [-from ][-to ][-through ]
set_min_delay  [-from ] [-to ][-through ]

max/min delay的約束平時(shí)用的相對(duì)少一些，因?yàn)樵诳绠惒綍r(shí)鐘域時(shí)，我們往往會(huì)設(shè)置asynchronous或者false_path。對(duì)于異步時(shí)鐘，我們一般都會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)保證時(shí)序能夠收斂，而不是通過(guò)時(shí)序約束來(lái)保證。