一、背景

????對(duì)于Vivado時(shí)序分析工具，默認(rèn)情況下是進(jìn)行單個(gè)周期內(nèi)的時(shí)序分析，這種分析存在一定的局限性，對(duì)于一些特殊的邏輯路徑不適用，例如，對(duì)于數(shù)據(jù)從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間需要超過一個(gè)時(shí)鐘周期以上的場(chǎng)景。如果設(shè)計(jì)中控制電路的路徑從起點(diǎn)到終點(diǎn)大于一個(gè)周期是符合設(shè)計(jì)需要的，此時(shí)，就需要使用多周期路徑約束來放寬setup時(shí)間。通俗理解，多周期約束即調(diào)整時(shí)序分析中源時(shí)鐘邊沿與目的時(shí)鐘邊沿的位置關(guān)系。

二、set_multicycle_path

????設(shè)置多周期路徑使用命令set_multicycle_path，進(jìn)入Edit Timing Constraints中的Set Multicycle Path窗口。對(duì)象設(shè)置欄含義如下圖。

a)Targets界面

Specify path_multiplier：設(shè)置多周期約束的數(shù)目，必須為大于0的整數(shù)，默認(rèn)為1時(shí)為setup/recovery分析，為0時(shí)即hold/removal分析

Start Points：多周期約束的起點(diǎn)

Through Points：多周期約束中經(jīng)過的位置

End Points：多周期約束的終點(diǎn)

? ?Hold和Setup的分析邊沿存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)于大部分場(chǎng)景，可用下面的公式獲得hold周期的個(gè)數(shù)。

Hold移動(dòng)周期數(shù)=setup路徑的Multiplier-1-hold路徑的Multiplier。默認(rèn)的setup路徑的Multiplier是和目的時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)，使用-start參數(shù)修可以修改setup時(shí)序要求，類似地，holdup周期數(shù)和源時(shí)鐘有關(guān)，使用參數(shù)-end可以修正。

命令格式示例：?

?set_multicycle_path -fall_from?[get_pins ff1_reg/C] -rise_to [get_pins ff2_reg/C] 2?

b)options界面

Setup/Hold:設(shè)置多周期約束路徑進(jìn)行時(shí)序分析類型為setup或hold

Rise/Fall:設(shè)置多周期約束是針對(duì)上升沿Rise還是下降沿Fall，默認(rèn)上升沿Rise

Start/End:設(shè)置約束中Multiplier的周期數(shù)的參考時(shí)鐘是源時(shí)鐘（startpoint）還是目的時(shí)鐘(endpoint)

Remove existing path exceptions before setting multicycle path: 對(duì)于設(shè)置多周期約束的路徑上如果存在其他時(shí)序例外約束的，勾選后將會(huì)移除，不勾選則保留該約束

?c)setup與hold關(guān)系

????對(duì)于一條時(shí)序路徑上setup和hold的關(guān)系如下圖，對(duì)于源時(shí)鐘的啟動(dòng)沿，setup考慮的是一個(gè)源時(shí)鐘周期后的邊沿與源時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的目的時(shí)鐘的邊沿，即尋找啟動(dòng)沿之后最近的一個(gè)捕獲沿，可見圖中“setup關(guān)系”的兩個(gè)邊沿，hold考慮的是和源時(shí)鐘啟動(dòng)沿對(duì)應(yīng)的目的時(shí)鐘邊沿，即尋找與啟動(dòng)沿對(duì)齊或在啟動(dòng)沿前面最靠近的一個(gè)捕獲沿，如“hold關(guān)系1”和“hold關(guān)系2”的2組邊沿。

對(duì)于源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘非同相同頻率時(shí)，需要指定-start,-end來指定參考時(shí)鐘，啟動(dòng)沿和捕獲沿與參數(shù)-start和-end在setup/hold時(shí)序分析中的關(guān)系如下表

????注：當(dāng)源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘相同或波形相同或不存在相位差時(shí)，使用start和end參數(shù)將沒有明顯的區(qū)別，因?yàn)榇藭r(shí)選擇源時(shí)鐘或目的時(shí)鐘作為參數(shù)時(shí)鐘都是同一個(gè)時(shí)鐘。

三、多周期約束場(chǎng)景

????下面，將針對(duì)一些常見的多時(shí)鐘周期約束場(chǎng)景進(jìn)行約束設(shè)置的說明，同時(shí)使用圖片對(duì)setup/hold multipliers值以及參數(shù)-start,-end對(duì)時(shí)序路徑的影響進(jìn)行解釋。

????時(shí)序分析工具STA分析時(shí)序默認(rèn)的setup和hold關(guān)系如下圖

setup檢查

????Td(max)<Tclk(t=T)-Tsetup? ? ? ? =》數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延加寄存器的setup時(shí)間小于一個(gè)周期

hold檢查

????Td(min)>Tclk(t=0)+Thold? ? ? ? ? =》數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r(shí)延要大于寄存器的holdup時(shí)間

3.1 單時(shí)鐘域的多周期約束

????在發(fā)起時(shí)鐘和捕獲時(shí)鐘為同一個(gè)時(shí)鐘，或兩個(gè)時(shí)鐘有相同的波形（并且不存在相移）時(shí)，時(shí)序路徑屬于單時(shí)鐘域內(nèi)的時(shí)序路徑，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康臅r(shí)鐘的寄存器需要多個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，就需要設(shè)置多周期約束。

以捕獲時(shí)鐘每?jī)蓚€(gè)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲為例（通過使能信號(hào)每2個(gè)周期生效一次），觸發(fā)器data1_reg每2個(gè)clk周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集

多周期約束命令

約束中僅僅對(duì)setup設(shè)置了約束，但setup和hold的關(guān)系都會(huì)改變，設(shè)置多周期約束前setup邊沿和hold邊沿在源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘的關(guān)系如下圖。

設(shè)置多周期約束后，setup邊沿和hold邊沿在目的時(shí)鐘中前移一個(gè)周期

但觸發(fā)器data0_reg中數(shù)據(jù)的hold邊沿實(shí)際并未改變，因此，需要hold的關(guān)系通過多周期約束回到初始的邊沿對(duì)比。

-end參數(shù)配合-hold時(shí)，表示捕獲時(shí)鐘的邊沿往回移動(dòng)。另外，如果源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘為相同的時(shí)鐘時(shí)，-end可以省略，兩條多周期約束的效果如下圖

當(dāng)setup multiplier為4時(shí)，對(duì)應(yīng)的約束為

對(duì)應(yīng)的波形效果如下圖

下面，繼續(xù)以移動(dòng)setup的多周期為例

樣例1：setup=5

只對(duì)setup約束5個(gè)周期的周期時(shí)延，約束命令為：

由于未指定hold的時(shí)延周期，將自動(dòng)的根據(jù)setup 啟動(dòng)沿和捕獲沿推斷出。通常情況，setup的multiplier是針對(duì)捕獲時(shí)鐘，將捕獲時(shí)鐘前移，hold的mulitplier未指定，因此捕獲時(shí)鐘中檢查hold的邊沿比setup檢查的邊沿提前一個(gè)周期，波形圖如下。

由于hold有4個(gè)周期的移動(dòng)，在時(shí)序路徑上必須插入大量的時(shí)延，增加不必要的面積和功耗，因此，也得放寬hold的要求，見樣例2。

樣例2：setup=5/hold=4

多周期約束命令為

對(duì)應(yīng)的波形圖為：

由于源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘波形相同，相位調(diào)整后和下圖波形效果相同

總結(jié)：在一個(gè)時(shí)鐘域內(nèi)或源時(shí)鐘和目的時(shí)鐘波形相同且無相移時(shí)，對(duì)setup multiplier設(shè)置了N個(gè)周期時(shí)，對(duì)hold multiplier設(shè)置N-1個(gè)周期

3.2 多周期路徑與時(shí)鐘相移

?????有時(shí)，時(shí)鐘約束必須定義兩個(gè)有相同周期的時(shí)鐘域，但兩個(gè)時(shí)鐘存在相移，此時(shí)，理解默認(rèn)的setup和holdup關(guān)系是至關(guān)重要的，不合適的約束會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)時(shí)鐘間的邏輯過度約束。

假設(shè)clk1和clk2有相同的波形，但clk2相對(duì)clk1進(jìn)行了+0.3ns的相移，此時(shí)將會(huì)導(dǎo)致過約束

????在這種情況下，由于setup約束中包含了0.3ns的相移，將導(dǎo)致無法時(shí)序收斂，因?yàn)閿?shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間在目的時(shí)鐘的hold邊沿和setup邊沿之間，必有一個(gè)違例。因此，必須對(duì)setup和holdup的邊沿進(jìn)行調(diào)整，解決方法為對(duì)捕獲時(shí)鐘的setup要求前移一個(gè)周期，holdup無需進(jìn)行約束

約束后的波形

當(dāng)相移為負(fù)的時(shí)候，無需考慮相移的影響，因?yàn)橄嘁频闹翟黾恿薶old的時(shí)間裕量，setup的捕獲沿相比啟動(dòng)沿推遲很多可保證數(shù)據(jù)提前T到達(dá)，除非相移值太大導(dǎo)致時(shí)鐘的啟動(dòng)沿或捕獲沿必須調(diào)整。

3.3?慢時(shí)鐘到快時(shí)鐘的多周期約束

啟動(dòng)時(shí)鐘CLK1是慢時(shí)鐘，捕獲時(shí)鐘CLK2是快時(shí)鐘

CLK2的頻率是CLK1的3倍，在靜態(tài)時(shí)序分析中，setup和holdup邊沿關(guān)系如下圖

示例：setup=3，對(duì)setup設(shè)置周期為3的約束

由于只設(shè)定了setup的multiplier值，holdup默認(rèn)為前移3-1個(gè)周期，波形如下

示例：setup=3/hold=2(-end)

在上一個(gè)例子中，放寬hold要求，捕獲時(shí)鐘中hold的邊沿需要往回移動(dòng)2個(gè)周期，多周期約束命令

波形如下圖

總結(jié)：對(duì)于數(shù)據(jù)從慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘域時(shí)，setup的multiplier為N時(shí)，hold的multiplier為N-1

3.4?快時(shí)鐘到慢時(shí)鐘的多周期約束

在下面的場(chǎng)景中，CLK1為快時(shí)鐘域，CLK2為慢時(shí)鐘域

假設(shè)CLK1的頻率是CLK2的3倍，不設(shè)置多周期約束時(shí)的時(shí)序分析波形如下，時(shí)序分析工具是按照最嚴(yán)苛的條件選擇啟動(dòng)沿和捕獲沿，因此源時(shí)鐘clk1的啟動(dòng)沿選擇最靠近目的時(shí)鐘clk2前期的上升邊沿。

示例：setup=3(-start)/hold=2，對(duì)setup/hold設(shè)置多周期約束

定義setup的multiplier值，添加-start參數(shù)，可以將啟動(dòng)時(shí)鐘往回移動(dòng)

對(duì)應(yīng)的波形為：

總結(jié)：對(duì)于快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域，定義了setup的multiplier為N時(shí)，hold的multiplier需定義為N-1，模板如下

四、工程示例

以慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘的多周期約束為例，主時(shí)鐘create_clk1周期為10ns，生成時(shí)鐘gen_clk_2，gen_clk_3的周期分別為40ns，2.5ns

工程代碼

邏輯連接

觸發(fā)器ff1_reg和ff2_reg的輸出經(jīng)過ff3_i_1單元進(jìn)入ff3_reg的輸入端口

多周期約束設(shè)置

a）寄存器ff1_reg的clk1約束了主時(shí)鐘，ff2_reg和ff3_reg的clk分別約束了生成時(shí)鐘gen_clk_2,gen_clk_3

b) ff1_reg/c到ff3_reg/c進(jìn)行setup/hold的多周期約束

時(shí)序報(bào)告

setup分析

hold分析

五、參考

用戶手冊(cè)：ug903-vivado-using-constraints-en-us-2022.2.pdf

鏈接：https://pan.baidu.com/s/17AK_-J4wRXiFLtLTorlrwg?pwd=mylt?

提取碼：mylt?