XDC約束技巧之CDC篇

上一篇《XDC 約束技巧之時鐘篇》介紹了 XDC 的優(yōu)勢以及基本語法，詳細說明了如何根據(jù)時鐘結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求來創(chuàng)建合適的時鐘約束。我們知道 XDC 與 UCF 的根本區(qū)別之一就是對跨時鐘域路徑（CDC）的缺省認識不同，那么碰到 FPGA 設(shè)計中常見的 CDC 路徑，到底應(yīng)該怎么約束，在設(shè)計上又要注意些什么才能保證時序報告的準確性？

CDC的的定義與分類

CDC 是 Clock DomainCrossing 的簡稱，CDC 時序路徑指的是起點和終點由不同時鐘驅(qū)動的路徑。在電路設(shè)計中對這些跨時鐘域路徑往往需要進行特別的處理來避免亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，例如使用簡單同步器、握手電路或是 FIFO 來隔離。

安全的CDC路徑

所謂安全的 CDC 路徑是指那些源時鐘和目標時鐘擁有相同的來源，在 FPGA 內(nèi)部共享部分時鐘網(wǎng)絡(luò)的時序路徑。這里的安全指的是時鐘之間的關(guān)系對 Vivado來說是全透明可分析的。

不安全的CDC路徑

不安全的 CDC 路徑則表示源時鐘和目標時鐘不同，且由不同的端口進入 FPGA，在芯片內(nèi)部不共享時鐘網(wǎng)絡(luò)。這種情況下，Vivado 的報告也只 是基于端口處創(chuàng)建的主時鐘在約束文件中所描述的相位和頻率關(guān)系來分析， 并不能代表時鐘之間真實的關(guān)系。

在 Vivado 中分析 CDC

在 ISE 中想要快速定位那些需要關(guān)注的 CDC 路徑并不容易，特別是要找到不安全的 CDC 時，因為 ISE 缺省認為所有來源不同的時鐘都不相關(guān)且不做分析，要報告出這類路徑，需要使用 ISE Timing Analyzer （TRCE） ，并加上 “-u” （表示 unconstrained）這個選項。

在 Vivado 中則容易許多，我們可以使用report_clock_interaction 命令（GUI 支持）來鑒別和報告設(shè)計中 所有的時鐘關(guān)系。執(zhí)行命令后會生成一個矩陣圖，其中對角線上的路徑表示源時鐘與目標時鐘相同的時鐘內(nèi)部路徑，其余都是 CDC 路徑。

Vivado 還會根據(jù)網(wǎng)表和已讀入的約束分析出 CDC 路徑的約束情況，并分顏色表示。例如綠色代表有時序約束，紅色代表不安全的 CDC 路徑但是沒有約束時序例外，橙色表示有部分路徑已約束為 false path 的不安 全 CDC 路徑。

矩陣下方是時鐘關(guān)系表格，可以就各種條件進行篩選和排序，方便定位 CDC 路徑。建議的做法是：首先，對“Common Primary Clock”排序（顯示為 Yes 或 No），這么做可以快速鑒別出那些安全和不安全的 CDC 路徑，接著觀察對應(yīng)的“Inter-Clock Constraints”欄內(nèi)的內(nèi)容，判斷已讀入的XDC 中是否對這類路徑進行了合理的約束。

第二步，可以對“Path Req (WNS)”由小到大進行排序，找到那些數(shù)值特別小（例如小于 100ps）或是顯示 為“Unexpanded”的 CDC 路徑，結(jié)合是否共享“CommonPrimary Clock”來鑒別此類路徑，作出合理的約束。

過小的 Path Req (WNS)一般都表示此類跨時鐘域路徑缺少異步時鐘關(guān)系或其它時序例外的約束，如果兩 個時鐘連“Common Primary Clock”也不共享，則 100%可以確認為異步時鐘，應(yīng)該加上相應(yīng)的時鐘關(guān)系約束。

顯示為“Unexpanded”的時鐘關(guān)系，表示 Vivado 在一定長度（缺省為 1000）的周期內(nèi)都沒有為兩個時鐘的頻率和相位找到固定的關(guān)系，則無法推導(dǎo)出相應(yīng)的 Path Req 約束值。此類 CDC 需要特別留意，也要加上異 步時鐘關(guān)系約束。

這個矩陣還支持交互式的時序分析，選中任意一個方框，右鍵顯示下拉菜單：選擇 Report Timing，會報 告出這一格代表的時鐘域（本時鐘域或是跨時鐘域）內(nèi)最差的時序路徑；選擇Set Clock Groups 則可以設(shè)置時鐘關(guān)系約束并添加到 XDC 文件中。

CDC 的設(shè)計與約束

CDC 路徑在 FPGA 設(shè)計中普遍存在，在設(shè)置 相應(yīng)的約束前，必須了解設(shè)計中采取了怎樣的方法來處理跨時鐘域路徑。

簡單同步器

對于單根跨時鐘域路徑，一般采用簡單同步器（Simple Synchronizer），就是由至少兩級 CE 端 和 Reset/Clear 端接死的寄存器序列來處理。

這種情況下，為了更長的平均無故障時間 MTBF（Mean Time Between Failures），需要配合一個 ASYNC_REG的約束，把用作簡單同步器的多個寄存器放入同一個 SLICE，以降低走線延時的不一致和不確定性。

set_property ASYNC_REG TRUE [get_cells [list sync0_reg sync1_reg]]

在 XDC 中，對于此類設(shè)計的 CDC 路徑，可以采用 set_clock_groups 來約束。

用 FIFO 隔離 CDC

在總線跨時鐘域的設(shè)計中，通常會使用異步 FIFO 來隔離。根據(jù) FIFO 的實現(xiàn)方式不同，需要加入不同的 XDC 約束。

Build-in 硬核 FIFO

這種 FIFO 實際上就是用 FPGA 內(nèi)部的 BRAM 來搭建，所有控制邏輯都在 BRAM 內(nèi)部，是推薦的 FIFO 實現(xiàn)方式。其所需的 XDC 也相對簡單，只要像上述簡單同步器的時鐘關(guān)系約束一樣用 set_clock_groups 將讀寫時鐘約束為異步即可。

帶有格雷碼控制的 FIFO

為了在亞穩(wěn)態(tài)下做讀寫指針抽樣也能正確判斷空滿狀態(tài)，設(shè)計中也常用一種帶有格雷碼控制的 FIFO 來實現(xiàn)異步時鐘域的隔離。計數(shù)器和讀寫指針等需要用 BRAM 外部的邏輯搭建，這樣的結(jié)構(gòu)就不能簡單約束 set_clock_groups，還要考慮這些外部邏輯如何約束。

如下圖所示 FIFO，在存儲器外部有一些用 FPGA 邏輯搭建的寫指針和讀指針控制，分屬不同的時鐘域，存在跨時鐘域的時序路徑。

此時如果僅將讀寫時鐘用 set_clock_groups 約束為異步時鐘，相當(dāng)于設(shè)置從 A 到 B 和從 B 到 A 的路徑全部為 false path。根據(jù)《XDC 約束技巧之時鐘篇》所列，false path 的優(yōu)先級最高，很顯然這么做會導(dǎo)致所有 跨讀寫時鐘域的路徑全部不做時序分析，讀寫指針和相關(guān)控制邏輯也就失去了存在的意義。

所以建議的做法是不設(shè) set_clock_groups 約束，轉(zhuǎn)而采用 set_max_delay 來約束這些跨時鐘域路徑。以寫入側(cè)舉例，一個基本的原則就是約束從 cell1 到 cell2 的路徑之間的延時等于或略小于 cell2 的驅(qū)動時鐘一個周期的值。讀出側(cè)的約束同理。

set_max_delay $delay –from [get_cells cell1] –to [get_cells cell2] –datapath_only

如果用戶使用 Vivado 的 IP Catalog 來產(chǎn)生此類FIFO，這樣的 XDC 會隨 IP 的源代碼一起輸出（如下所示），使用者僅需注意確保這個 FIFO 的讀寫時鐘域沒有被用戶自己的 XDC 約束為 false path 或是異步 clock groups 。

自 2013.4 開始，Vivado 中還提供一個稱作 methodology_checks 的 DRC 檢查，其中包含有對此類異步FIFO 的 max delay 約束與時鐘域 clock groups 約束的沖突檢查。

CDC 約束方案的對比

CDC 路徑在 FPGA 設(shè)計中普遍存在，不少公司和研發(fā)人員都有自己偏愛的約束方式，這些方式通常有各自適用的環(huán)境，當(dāng)然也各有利弊。

全部忽略的約束

最大化全部忽略 CDC 路徑的約束，即采用 set_clock_groups 或是 set_false_path 對時鐘關(guān)系進行約束， 從而對跨時鐘域的路徑全部忽略。

示例：set_clock_groups -asynchronous -group clkA -group clkB

優(yōu)勢：簡單、快速、執(zhí)行效率高。

劣勢：會掩蓋時序報告中所有的跨時鐘域路徑，容易誤傷，不利于時序分析。

使用 datapath_only 約束

datapath_only 是從 ISE 時代的 UCF 中繼承過來的約束，在 XDC 中必須作為一個選項跟 set_max_delay 配合使用，可以約束在時鐘之間，也可以對具體路徑進行約束。

示例：set_max_delay 10 -datapath_only -from clkA -to clkB

優(yōu)勢：簡便、執(zhí)行效率較高。

劣勢：1) 需要特別留意是否設(shè)置了過于嚴格的約束，因為使用者經(jīng)常會使用較快的時鐘周期來約束跨時鐘域路徑 。2) 注意約束優(yōu)先級的關(guān)系，是否跟設(shè)計中其它的約束有沖突。3) set_max_delay 而沒 有配套設(shè)置 set_min_delay 的情況下，同一路徑只做 setup 分析而不做 hold 分析。

逐條進行時序例外約束

對設(shè)計中的 CDC 路徑分組或逐條分析，采用不同的時序例外約束，如 set_false_path，set_max_delay 和 set_multicycle_path 等來約束。

示例：set_false_path -from [get_cells a/b/c/*_meta*] -to [get_cellsa/b/c/*_sync*]

優(yōu)勢：靈活、針對性好、便于時序分析和調(diào)試。

劣勢：1) 逐條約束會占用大量時間來調(diào)試和分析，效率低下。2) 時序例外的優(yōu)先級比較復(fù)雜，多種時序例外約束共存的情況下，很容易產(chǎn)生意想不到的沖突，進一步增加調(diào)試時間，降低效率。3) 這么做極容易產(chǎn)生臃腫的 XDC 約束文件，而且時序例外的執(zhí)行更耗內(nèi)存，直接導(dǎo)致工具運行時間變長。

小結(jié)

CDC 路徑的分析和約束不僅在FPGA 設(shè)計中至關(guān)重要，也是數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域一個非常重要的命題。IP 提供商、EDA 公司都有不少關(guān)于 CDC 的技術(shù)文檔。Vivado 相比于 Xilinx 上一代產(chǎn)品 ISE，已經(jīng)在 CDC 的鑒別和分析方面有了很大改進，XDC 相比于 UCF，在 CDC 路徑的約束上也更為高效，覆蓋率更高。

希望本篇短文可以幫助 Vivado 的用戶快速掌握對 FPGA 設(shè)計中 CDC 路徑的鑒別、分析和約束方法，提高設(shè)計效率。

審核編輯：湯梓紅