基本的時序約束和STA操作流程

一、前言

無論是FPGA應用開發還是數字IC設計，時序約束和靜態時序分析（STA）都是十分重要的設計環節。在FPGA設計中，可以在綜合后和實現后進行STA來查看設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。內容主要來源于《Vivado從此開始》這本書，我只是知識的搬運工。

二、時序約束與XDC腳本

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

1 時序約束首要任務是創建主時鐘，主時鐘即為時鐘引腳進入時鐘信號或高速收發器生成時鐘。［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

當兩個主時鐘是異步關系，它們生成時鐘同樣是異步關系：

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，即創建虛擬時鐘。該約束用于設定輸入/輸出延遲。需要創建虛擬時鐘的場景是輸入FPGA的數據由FPGA內部產生時鐘采樣，如串口通信。

create_clock -name clk_v -period 5

2 創建主時鐘后，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生的時鐘信號，Vivado會自動產生相關約束。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系，也可以用 -edges實現更精確的表達：

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

相移關系使用-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，后續根據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電路工作時鐘，因此邏輯上互斥。

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

4 設置偽路徑：［set_false_path］

設置偽路徑后，不再對特殊路徑進行時序分析。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該相互設置為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 常用時鐘相關命令：

report_clocks：查看創建的所有時鐘

report_property ［get_clocks 《clk_name》］：查看時鐘clk_name的屬性

report_clock_network：查看時鐘的生成關系網絡

report_clock_interaction：查看時鐘交互關系

其中最后一項非常重要，經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部路徑，其他非黑色部分即為存在對應兩個時鐘的跨時鐘域路徑。紅色部分是非安全路徑，若不處理會產生亞穩態。

三、查看時序報告（STA）

本節以一個有很多時序問題的工程為例進行講解。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為負數，說明當前設計無法滿足建立時間或保持時間要求，也就是說數據無法被穩定采樣。

Clock Summary內的信息與使用report_clocks TCL腳本調出來的信息相似，包含了全部已創建的時鐘信號。Check Timing部分則包含了未被約束的部分，我們可以根據該部分信息進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。

點擊WNS或WHS后的數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，界面會跳轉到該路徑的詳細信息界面：

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、數據路徑和目的時鐘路徑三部分構成。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的關系，基本時序約束情形及相應的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。后續會以網絡通信中常見的RGMII接口設計實例闡述I/O延遲約束部分。

編輯：jq