zt 深入讲解set_multicycle_path多周期约束---理论篇

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深入讲解set_multicycle_path多周期约束---理论篇\

 

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红色闪电007

于 2020-01-31 17:18:39 发布

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网上看了一些有关多周期约束的一些文章，有些只给出了结论，有些讲得不太透彻，最后看完可能还是云里雾里的。所以本人在阅读一些网上资料的同时，结合Xilinx的UG903和UG906写了一些体会，仅供参考，如有错误，欢迎指正。

1. 为什么要进行多周期约束？

赛灵思是这么说的，时序分析工具在进行分析的时候，默认是进行一个周期的分析的。这种分析可能过于严格，可能不适用于某些逻辑路径。如果你的设计中允许数据在2个甚至多个周期之后稳定，那么你就可以使用多周期约束。这样会使得在布线过程中释放布线资源，同时也会降低布线运行时间。

2. 周期约束的宗旨：

（1）当前发射沿发送的数据不能被前一个捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的4ns发射的数据不能被Destination clock中的4ns处为捕获。
（2）下一个发射沿发送的数据不能被当前捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的8ns发射的数据不能被Destination clock中的8ns处为捕获。
归纳起来就是，当前发射沿发送的数据只能给当前的捕获沿捕获。默认的周期为1的约束，捕获沿为发射沿之后的下一个时钟沿。此处，若Source clock中的4ns为发射沿，那么Destination clock中的8ns处为捕获沿。说明白点就是如果在4ns处发射一个数据，那么该数据如果延时为0，直接轰到下一个触发器，那么会造成下一个触发器在捕获上一个数据时（上一个数据的发射沿为0ns，捕获沿为4ns）的HOLD时间无法满足。

3. 相同时钟域的多周期约束

相同时钟域的多周期约束比较简单， 一般出现的情况，当系统中存在CE信号时，这时候根据CE信号的频率设置相应的周期数，而不是按照默认的1个时钟周期使得约束过紧。

图5-5中的BEFORE为当不加周期约束的时候捕获沿在4ns处，但是此时根据CE信号可知，系统不会再4ns处进行捕获，而是在8ns处进行捕获，所以可以将setup的分析在捕获沿为8ns处，即将捕获沿向后移动一个周期（相对于Destination clock），即变成图5-5 AFTER中的模式。根据分析工具的默认，此时HOLD的分析也会同样向后移动一个周期。原来的周期约束的宗旨变为如下：
（1）当前发射沿发送的数据不能被前一个捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的0ns发射的数据不能被Destination clock中的4ns处为捕获。
（2）下一个发射沿发送的数据不能被当前捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的4ns发射的数据不能被Destination clock中的8ns处为捕获。
这显然增加了HOLD约束的难度，就是原来我路径延时2ns可以保证HOLD时间，现在必须2ns+4ns=6ns。
同时根据本系统，也没有必要。该系统只需保证如下宗旨：
（1）当前发射沿发送的数据不能被前一个捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的0ns发射的数据不能被Destination clock中的0ns处为捕获。允许被Destination clock中的4ns处为捕获。
（2）下一个发射沿发送的数据不能被当前捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的4ns发射的数据不能被Destination clock中的4ns处为捕获。允许被Destination clock中的8ns处为捕获。

该约束的语法表达式如下：
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]
通常，在一个时钟域或在具有相同波形的两个时钟之间，当定义了N的多周期约束时，其语句如下所示。

4.同周期有相位差的两个时钟

在本例中，由相移引起的设置约束为0.3ns。这使得几乎不可能实现时序收敛。另一方面，hold检查为-3.7ns，这太宽松了。所以有必要对其进行调整，调整之后如下图所示：

对于负相移的情况，一般也不需要进行特别的约束，如下图所示：

5. 慢时钟到快时钟的多周期约束

CLK1的周期是CLK2的3倍，分别为12ns和4ns，其默认的时序分析如上图。由上图分析可知，捕获沿没有必要再4ns处，捕获沿可以放宽在12ns处。如下图所示。

由上图可知，捕获沿已经设置在12ns，这有利于setup的分析。但是同时hold的分析在8ns处。也就是发射沿0ns发出的数据不能被8ns处的捕获，这显然没有必要。我们只需要保证如下两个原则：
1：CLK1发射沿0ns发出的数据不被CLK2的0ns捕获；
2：CLK1发射沿12ns发出的数据不被CLK2的12ns捕获；
所以分析图将变成如下情况:

对应上图的约束语句如下：
set_multicycle_path 3 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_multicycle_path 2 -hold -end -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
此时 hold的约束让原本处于8ns处的捕获沿往后移动两个周期。
一般的对于从慢时钟域向快时钟域穿越，总结如下：

6. 快时钟到慢时钟的多周期约束

CLK2的周期是CLK1的3倍，分别为12ns和4ns，其默认的时序分析如上图。其捕获沿在CLK2的12ns处，其发射沿在CLK1的8ns处。由上图可知，分析setup时，其发射沿没有必要在8ns处，造成时序过紧。可设置发射沿在0ns处。
再开来看，对于hold的分析，根据两原则可知：
（1）当前发射沿发送的数据不能被前一个捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的8ns发射的数据不能被Destination clock中的0ns处为捕获。一般情况下永远不会发生。
（2）下一个发射沿发送的数据不能被当前捕获沿捕获。
此处为：Source clock中的12ns发射的数据不能被Destination clock中的12ns处为捕获。
所以我们只需要保证原则（2）即可。
由于分析setup时其发射沿会后移到0ns处，这样hold会后移到4ns处，所以重新将hold移动到12ns处。
所以进行实际应该设定的约束的图如下：

约束语句如下：
set_multicycle_path 3 -setup -start -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2] 发射沿后移3个周期。
set_multicycle_path 2 -hold -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2] 发射沿前移2个周期。
一般的对于从快时钟域向慢时钟域穿越，总结如下：

7.几点注意事项：
上一张总结图：setup约束默认的是移动捕获沿，hold 约束默认的是移动发射沿。记住移动的是两个沿，捕获沿和发射沿。

对于快慢时钟域问题：
（1）慢到快
set_multicycle_path 3 -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
捕获沿前移3个周期。
set_multicycle_path 2 -hold -end -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
捕获沿后移2个周期。
setup的约束时捕获沿向前移动，同时hold约束时将原本由于setup约束引起的向前移动，重新往后移动，回到原点。
（2）快到慢
set_multicycle_path 3 -setup -start -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2] 发射沿后移3个周期。
set_multicycle_path 2 -hold -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
发射沿前移2个周期。
setup的约束时发射沿向后移动，同时hold约束时将原本由于setup约束引起的向后移动，重新往前移动，回到原点。
总结：不同的时钟域在做setup和hold约束时，其实移动的是同一个沿，要么是捕获沿要么是发射沿。
那我们再来看下一个时钟下的约束：
set_multicycle_path 2 -setup -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D] 此句将捕获沿向前移动2个周期。
set_multicycle_path 1 -hold -from [get_pins data0_reg/C] -to [get_pins data1_reg/D] 此句将发射沿向前移动2个周期。
在这个约束中，对于setup和hold的约束移动的是不同的沿。为什么可以这么操作呢？看看Xilinx给出的答案就能理解了。

因为发射时钟和捕获时钟的波形是一样的，所以后移捕获沿就与前移发射沿的结果是一样的，所以这里面进行了简化的操作。
时序约束的目标就是让发射沿发射的数据能够被捕获沿捕获，就是考虑两个沿移动的问题，在两个沿之间保留特定的时间。
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