FPGA时序约束之设置时钟组

一、背景

Vivado中时序分析工具默认会分析设计中所有时钟相关的时序路径，除非时序约束中设置了时钟组或false路径。使用set_clock_groups命令可以使时序分析工具不分析时钟组中时钟的时序路径，使用set_false_path约束则会双向忽略时钟间的时序路径

使用-group参数可以将一个时钟设置到多个时钟组中，如果时钟组中没有时钟，则时钟组为空组。只有至少两个组都是非空组，为有效组时set_clock_groups约束才有效。如果只有一个组有效，其他组是空的，流程将会报错。

二、时钟间关系

2.1 时钟关系分类

两个时钟的关系可以是同步时钟，异步时钟，非扩展时钟。

同步时钟：  两个时钟的相位关系是可预知的，常见的是两个时钟来源于相同的根时钟或者共同的周期，如生成时钟和主时钟。

异步时钟：当两个是时钟的相位关系不可预知时，则为异步时钟，例如来源两个晶振的时钟，通过不同的输入端口进入到FPGA内部，无法知道两者的相位关系。

非扩展时钟：当两个时钟在1000个周期内仍无无法找到共同的边沿，在这种情况下，最差的setup关系在超过1000个周期上，但是时序分析工具将无法确认这是最差的情况。典型的例子是两个奇数倍分频的时钟，如clk0和clk1都是由MMCMs产生的生成时钟，周期分别为5.125ns和6.666ns。它们的上升沿在1000个周期内不存在重合。时序分析工具有一个0.01ns的setup路径裕量，尽管两个时钟有已知的相位关系，但它们的波形使得无法进行正确的时序分析。

异步时钟中，slack值可以按常规方法计算，但计算出的值不一定正确。因此，非扩展时钟通常作为异步时钟。

2.2 时钟关系查看

时钟Vivado中Report Clock Interaction可以查看时钟间的关系

下图颜色方块中，横坐标表示目的时钟，纵坐标表示源时钟，黑色No path表示不存在时序路径，蓝色User ignored Paths为用户设置了不分析的约束，红色Timed(Unsafe)表示异步时钟或非扩展的时钟，颜色块下方的列表也显示了时序的详细信息。

三、异步时钟组

3.1 优先级

异步时钟和非扩展时钟是没法正确地进行时序分析，  在它们之间的时序路径在分析时应该使用set_clock_groups进行忽略。相比于其他时序例外的命令，set_clock_groups的优先级最高，如果需要对异步时钟进行分析，则不能对该时钟使用set_clock_groups命令。

3.2 使用格式

在Timing Constraints窗口中，Clocks列下选择Set Clock Groups

进入Set Clock Groups界面

Group name：设置时钟组的名称

Group 1: 添加属于Group 1中的时钟，点击最右侧的“+”可以设置多个组

The specified clocks are: 设置时钟组里的时钟与其他时钟的关系，可为asynchronous，logically exclusive，physically exclusive。

-asynchronous：约束为异步时钟组

-logically_exclusive：约束为逻辑互斥的时钟组

-physically_exclusive：约束为物理线路互斥的时钟组，设计中不能同时存在，最终表现的效果和-logically_exclusive是相同的。

约束命令示例：

 

set_clock_groups -name clk_group -asynchronous -group[get_clocks {create_clk1 gen_clk_2}]

 

3.3 asynchronous和exclusive

参数asynchronous表示创建异步时钟组，使用场景如数据在不同速率的时钟间通过FIFO进行传输时，使用异步时钟组隔离时序关系。

参数exclusive表示时钟组里的时钟为互斥关系，例如，同一个节点中存在多个时钟，当同一时间内只能一个时钟生效，常用在时钟多路复用上。

3.4 结果示例

以设计中存在4个时钟clk1,clk2,clk3,clk4为例，时钟之间均存在可分析的时序路径。对时钟进行不同的时钟组约束，约束后的分析结果如下，Y表示进行时序分析，N表示不进行时序分析，参数使用asynchronous。

a)场景1：

 

set_clock_groups -name clk_group -asynchronous -group[get_clocks clk1]

 

b)场景2

 

set_clock_groups -name clk_group -asynchronous -group[get_clocks {clk1 clk2}]

 

时钟组内部的时钟间进行时序分析，和外部的时钟不会进行时序分析

c)场景3

 

set_clock_groups -name clk_group -asynchronous -group[get_clocks clk1] -group[get_clocks clk2]

 

设置多个groups时，groups之间的clk不会进行时序分析

d)场景4

 

set_clock_groups -name clk_group -asynchronous -group[get_clocks {clk1 clk2}] -group[get_clocks {clk3 clk4}]

 

设置多个group时，group内部的时钟间会进行时序分析，group间不会进行时序分析

总结：set_clock_group中group内部的时钟只能组内间进行分析，不能跨组或与非约束中的时钟进行时序分析