VIVADO時序約束及STA基礎(chǔ)

一、前言

無論是FPGA應(yīng)用開發(fā)還是數(shù)字IC設(shè)計，時序約束和靜態(tài)時序分析（STA）都是十分重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。在FPGA設(shè)計中，可以在綜合后和實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行STA來查看設(shè)計是否能滿足時序上的要求。本文闡述基本的時序約束和STA操作流程。內(nèi)容主要來源于《Vivado從此開始》這本書，我只是知識的搬運(yùn)工。

二、時序約束與XDC腳本

時序約束的目的就是告訴工具當(dāng)前的時序狀態(tài)，以讓工具盡量優(yōu)化時序并給出詳細(xì)的分析報告。一般在行為仿真后、綜合前即創(chuàng)建基本的時序約束。Vivado使用SDC基礎(chǔ)上的XDC腳本以文本形式約束。以下討論如何進(jìn)行最基本時序約束相關(guān)腳本。

1 時序約束首要任務(wù)是創(chuàng)建主時鐘，主時鐘即為時鐘引腳進(jìn)入時鐘信號或高速收發(fā)器生成時鐘。[create_clock]

create_clock -name clk_name -period N-waveform {pos_time neg_time}[get_ports port_name]（劃線部分可選）

創(chuàng)建兩個異步的主時鐘：

create_clock -name clk_a -period 10 [get_ports clk_a]

create_clock -name clk_b -period 15 [get_ports clk_b]

set_clock_groups -asynchronous -group clk_a -group clk_b

當(dāng)兩個主時鐘是異步關(guān)系，它們生成時鐘同樣是異步關(guān)系：

set_clock_groups -asynchronous -group [get_clocks clk_a -include_generated_clocks]

-group [get_clocks clk_b -include_generated_clocks]

差分時鐘僅約束P端口：

create_clock -name clk -period 10 [get_ports clk_p]

高速收發(fā)器生成時鐘作為主時鐘：

create_clock -name gt0_txclk -period 8 [get_pins GT0/.../TXOUTCLK]

有一種特殊情況無需與具體引腳綁定，即創(chuàng)建虛擬時鐘。該約束用于設(shè)定輸入/輸出延遲。需要創(chuàng)建虛擬時鐘的場景是輸入FPGA的數(shù)據(jù)由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生時鐘采樣，如串口通信。

create_clock -name clk_v -period 5

2 創(chuàng)建主時鐘后，需要約束生成時鐘：[create_generated_clock]

生成時鐘分為兩種。由PLL MMCM等專用時鐘單元生成產(chǎn)生的時鐘信號，Vivado會自動產(chǎn)生相關(guān)約束。還有一種是自定義生成時鐘，一般為邏輯分頻得到。

時鐘源是時鐘端口：

create_generated_clock -name clk_div -source [get_ports clk] -divide_by 2 [get_pins rega/Q] 意思是在rega單元的Q引腳上的時鐘信號clk_div是由clk經(jīng)過2分頻得到的生成時鐘。

時鐘源是引腳：

create_generated_clock -name clk_div -source [get_pins rega/C] -divide_by 2 [get_pins rega/Q]

除了使用-divide_by -multiply_by表示主時鐘和生成時鐘的頻率關(guān)系，也可以用 -edges實(shí)現(xiàn)更精確的表達(dá)：

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

相移關(guān)系使用-edge_shift命令描述。

該約束命令還常用于重命名時鐘信號：

create_generated_clock -name clk_rename [get_pins clk_gen/.../CLKOUT0]

3 創(chuàng)建時鐘組：[set_clock_groups]

a. 異步時鐘情況：

set_clock_groups -asynchronous -group clk_a -group clk_b clk_a和clk_b是異步時鐘。

b. 物理互斥情況：

create_clock -name clk_a -period 10 [get_ports clk]

create_clock -name clk_b -period 8 [get_ports clk] -add

create_clock -name clk_c -period 5 [get_ports clk] -add

set_clock_groups -physically_exclusive -group clk_a -group clk_b -group clk_c

該種情況僅是為了觀察clk引腳時鐘信號周期依次為10ns 8ns和5ns時，時序是否收斂。因此這三個時鐘物理上不同時存在。

c. 邏輯互斥情況：

set_clock_groups -logically_exclusive

-group [get_clocks -of [get_pins clk_core/.../CLKOUT0]] -group [get_clocks -of [get_pins clk_core/.../CLKOUT1]]

clkout0和clkout1送入到BUFGMUX中，后續(xù)根據(jù)sel信號確定選擇哪一個作為工作時鐘。此時clkout0和clkout1同時存在電路中，但僅有一個會作為后續(xù)電路工作時鐘，因此邏輯上互斥。

特殊用法：當(dāng)asynchronous 的group只有一個，說明改組內(nèi)時鐘是同步的，但與其他所以時鐘異步。

4 設(shè)置偽路徑：[set_false_path]

設(shè)置偽路徑后，不再對特殊路徑進(jìn)行時序分析。特殊路徑如測試邏輯、添加同步電路后的跨時鐘域路徑等。在兩個時鐘域之間應(yīng)該相互設(shè)置為set_false：

set_false_path -from [get_clocks clk_a] -to [get_clocks clk_b]

set_false_path -from [get_clocks clk_b] -to [get_clocks clk_a]

5 常用時鐘相關(guān)命令：

report_clocks：查看創(chuàng)建的所有時鐘

report_property [get_clocks ]：查看時鐘clk_name的屬性

report_clock_network：查看時鐘的生成關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

report_clock_interaction：查看時鐘交互關(guān)系

其中最后一項非常重要，經(jīng)常被用于查看異步時鐘域之間的路徑是否安全。若存在不安全路徑，需要添加同步、握手或FIFO后，設(shè)置為異步時鐘組或false_path。

鍵入該命令后，會生成時鐘交互矩陣。對角線是每個時鐘內(nèi)部路徑，其他非黑色部分即為存在對應(yīng)兩個時鐘的跨時鐘域路徑。紅色部分是非安全路徑，若不處理會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

三、查看時序報告（STA）

本節(jié)以一個有很多時序問題的工程為例進(jìn)行講解。在綜合后即可打開時序概要查看時序報告。

打開后有如下界面：

其中Design Timing Summary是時序概況，包括最大延遲分析、最小延遲分析以及脈沖寬度三個部分。其中WNS或WHS為負(fù)數(shù)，說明當(dāng)前設(shè)計無法滿足建立時間或保持時間要求，也就是說數(shù)據(jù)無法被穩(wěn)定采樣。

Clock Summary內(nèi)的信息與使用report_clocks TCL腳本調(diào)出來的信息相似，包含了全部已創(chuàng)建的時鐘信號。Check Timing部分則包含了未被約束的部分，我們可以根據(jù)該部分信息進(jìn)一步添加必要的約束。Intra-Clock Paths和Inter-Clock Paths則分別描述了同步和異步電路時序路徑的裕量參數(shù)。

點(diǎn)擊WNS或WHS后的數(shù)值可以直接找到時序裕量最差的路徑：

雙擊路徑信息所在行任意位置，界面會跳轉(zhuǎn)到該路徑的詳細(xì)信息界面：

四類時序路徑中，除了FPGA輸入端口到輸出端口這一特殊情況外，其他時序路徑均由源時鐘路徑、數(shù)據(jù)路徑和目的時鐘路徑三部分構(gòu)成。上表中各項的具體解釋見官方文檔UG908.

本文說明了時序約束和STA的關(guān)系，基本時序約束情形及相應(yīng)的XDC腳本。之后簡單介紹了如何在VIVADO中查看時序報告來分析時序問題。后續(xù)會以網(wǎng)絡(luò)通信中常見的RGMII接口設(shè)計實(shí)例闡述I/O延遲約束部分。

審核編輯 ：李倩