兩種時序例外

多周期路徑

上面我們講的是時鐘周期約束，默認按照單周期關系來分析數據路徑，即數據的發起沿和捕獲沿是最鄰近的一對時鐘沿。如下圖所示。

默認情況下,保持時間的檢查是以建立時間的檢查為前提,即總是在建立時間的前一個時鐘周期確定保持時間檢查。這個也不難理解，上面的圖中，數據在時刻1的邊沿被發起，建立時間的檢查是在時刻2進行，而保持時間的檢查是在時刻1（如果這里不能理解，再回頭看我們講保持時間章節的內容），因此保持時間的檢查是在建立時間檢查的前一個時鐘沿。

但在實際的工程中，經常會碰到數據被發起后，由于路徑過長或者邏輯延遲過長要經過多個時鐘周期才能到達捕獲寄存器；又或者在數據發起的幾個周期后，后續邏輯才能使用。這時如果按照單周期路徑進行時序檢查，就會報出時序違規。因此就需要我們這一節所講的多周期路徑了。

多周期約束的語句是：

set_multicycle_path  [-setup|-hold] [-start|-end][-from ] [-to ] [-through ]

對于建立時間，num_cycles是指多周期路徑所需的時鐘周期個數；對于保持時間，num_cycles是指相對于默認的捕獲沿，實際捕獲沿應回調的周期個數。

發起沿和捕獲沿可能是同一個時鐘，也可能是兩個時鐘，參數start和end就是選擇參考時鐘是發送端還是接收端。

• start表示參考時鐘為發送端（發端）所用時鐘，對于保持時間的分析，若后面沒有指定start或end，則默認為為-start；
• end表示參考時鐘為捕獲端（收端）所用時鐘,對于建立時間的分析，若后面沒有指定start或end，則默認為為-end；

上面這兩句話也不難理解，因為setup-time是在下一個時鐘沿進行捕獲時的約束，因此默認是對接收端的約束；而hold-up-time是對同一個時鐘沿的約束，目的是發送端不能太快，是對發送端的約束。

對于單周期路徑來說，setup的num_cycles為1，hold的num_cycles為0.

多周期路徑要分以下幾種情況進行分析：

1. 單時鐘域

即發起時鐘和捕獲時鐘是同一個時鐘，其多周期路徑模型如下圖所示。

單時鐘域的多周期路徑常見于帶有使能的電路中，我們以雙時鐘周期路徑為例，其實現電路如下：

若我們沒有指定任何的約束，默認的建立/保持時間的分析就像我們上面所講的單周期路徑，如下圖所示。

但由于我們的的數據經過了兩個時鐘周期才被捕獲，因此建立時間的分析時需要再延遲一個周期的時間。

采用如下的時序約束：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]

在建立時間被修改后，保持時間也會自動調整到捕獲時鐘沿的前一個時鐘沿，如下圖所示。

很明顯，這個保持時間檢查是不對的，因為保持時間的檢查針對的是同一個時鐘沿，因此我們要把保持時間往回調一個周期，需要再增加一句約束：

set_multicycle_path 1 -hold -end -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

這里加上-end參數是因為我們要把捕獲時鐘沿往前移，因此針對的是接收端，但由于我們這邊講的是單時鐘域，發送端和接收端的時鐘是同一個，因此-end可以省略。這樣，完整的時序約束如下：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]
set_multicycle_path 1 -hold  -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

約束完成后，建立保持時間檢查如下圖所示。

在單時鐘域下，若數據經過N個周期到達，則約束示例如下：

set_multicycle_path N -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D]
set_multicycle_path N-1 -hold  -from [get_pins data0_reg/C]  -to [get_pins data1_reg/D]

2. 時鐘相移

前面我們討論的是在單時鐘域下，發送端和接收端時鐘是同頻同相的，如果兩個時鐘同頻不同相怎么處理？

如上圖所示，時鐘周期為4ns，接收端的時鐘沿比發送端晚了0.3ns，若不進行約束，建立時間只有0.3ns，時序基本不可能收斂；而保持時間則為3.7ns，過于豐富。可能有的同學對保持時間會有疑惑，3.7ns是怎么來的？還記得我們上面講的保持時間的定義么，在0ns時刻，接收端捕獲到發送的數據后，要再過3.7ns的時間發送端才會發出下一個數據，因此本次捕獲的數據最短可持續3.7ns，即保持時間為3.7ns。

因此，在這種情況下，我們應把捕獲沿向后移一個周期，約束如下：

set_multicycle_path 2 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

對setup約束后，hold會自動向后移動一個周期，此時的建立保持時間檢查如下：

那如果接收端的時鐘比發送端的時鐘超前了怎么處理？

同樣的，時鐘周期為4ns，但接收端時鐘超前了0.3ns，從圖中可以看出，此時setup是3.7ns，而保持時間是0.3ns。這兩個時間基本已經滿足了Xilinx器件的要求，因此無需進行約束。

3. 慢時鐘到快時鐘的多周期

當發起時鐘慢于捕獲時鐘時，我們應該如何處理？

假設捕獲時鐘頻率是發起時鐘頻率的3倍，在沒有任何約束的情況下，Vivado默認會按照如下圖所示的建立保持時間進行分析。

但我們可以通過約束讓建立時間的要求更容易滿足，即

set_multicycle_path 3 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

跟上面講的一樣，設置了setup，hold會自動變化，但我們不希望hold變化，因此再增加：

set_multicycle_path 2 -hold -end -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

這里由于發起和捕獲是兩個時鐘，因此-end參數是不可省的。加上時序約束后，Vivado會按照下面的方式進行時序分析。

4. 快時鐘到慢時鐘的多周期

當發起時鐘快于捕獲時鐘時，我們應該如何處理？

假設發起時鐘頻率是捕獲時鐘頻率的3倍，在沒有任何約束的情況下，Vivado默認會按照如下圖所示的建立保持時間進行分析。

同理，我們可以通過約束，讓時序條件更加寬裕。

set_multicycle_path 3 -setup -start -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_multicycle_path 2 -hold -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

這里的hold約束中沒有加-end參數，這樣的話默認就是-start，是因為我們把發起時鐘回調2個周期，如下圖所示。

針對上面講的幾種多周期路徑，總結如下：

偽路徑

什么是偽路徑？偽路徑指的是該路徑存在，但該路徑的電路功能不會發生或者無須時序約束。如果路徑上的電路不會發生，那Vivado綜合后會自動優化掉，因此我們無需考慮這種情況。

為什么要創建偽路徑？創建偽路徑可以減少工具運行優化時間,增強實現結果,避免在不需要進行時序約束的地方花較多時間而忽略了真正需要進行優化的地方。

偽路徑一般用于：
? 跨時鐘域
? 一上電就被寫入數據的寄存器
? 異步復位或測試邏輯
? 異步雙端口RAM

可以看出，偽路徑主要就是用在異步時鐘的處理上，我們上一節講的多周期路徑中，也存在跨時鐘域的情況的，但上面我們講的是兩個同步的時鐘域。

偽路徑的約束為：

set_false_path [-setup] [-hold] [-from ] [-to ] [-through ]

• -from的節點應是有效的起始點.有效的起始點包含時鐘對象,時序單元的clock引腳,或者input(or inout)原語;
• -to的節點應包含有效的終結點.一個有效的終結點包含時鐘對象,output(or inout)原語端口,或者時序功能單元的數據輸入端口;
• -through的節點應包括引腳,端口,或線網.當單獨使用-through時,應注意所有路徑中包含-through節點的路徑都將被時序分析工具所忽略.

需要注意的是，-through是有先后順序的，下面的兩個約束是不同的約束：

set_false_path -through cell1/pin1 -through cell2/pin2
set_false_path -through cell2/pin2 -through cell1/pin1

因為它們經過的先后順序不同，偽路徑的約束是單向的，并非雙向的，若兩個時鐘域相互之間都有數據傳輸，則應采用如下約束：

set_false_path -from [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]
set_false_path -from [get_clocks clk2] -to [get_clocks clk1]

也可以直接采用如下的方式，與上述兩行約束等效：

set_clock_groups -async -group [get_clocks clk1] -to [get_clocks clk2]

還有一些其他的約束，比如case analysis、disabling timing和bus_skew等，由于平時用的比較少，這里就不講了。