Clock Skew , Clock Uncertainty和 Period

本文将介绍FPGA中和时钟有关的相关概念，阅读本文前需要对时序收敛的基本概念和建立、保持关系有一定了解，这些内容可以在时序收敛：基本概念，建立时间和保持时间（setup time 和 hold time）中找到。

系列目录 

    时序收敛：基本概念

    建立时间和保持时间（setup time 和 hold time）

    OFFSET约束（OFFSET IN 和OFFSET OUT）

    Clock Skew , Clock uncertainly 和 Period

    特殊约束From To

    OFFSET IN 使用举例

    Achieving Timing Closure

0. 引言

    Intel 4790K的主频是4.0GHz，高通801的单核频率可达2.5GHz，A8处理器在1.2GHz，MSP430可以工作在几十MHz……这里的频率的意思都是类似的，这些处理器的频率都是厂商给定的。但是对于FPGA的工作频率而言却往往需要我们自己决定，在产品的设计初始就需要考虑FPGA工作在哪个频率，譬如250MHz。这个取值并不是瞎确定的，譬如如果定在1GHz，那显然是不可能的，有一本叫《XXXXX FPGA Data Sheet DC and Switch Characteristics》的手册给出了FPGA各个模块的直流供电特性和最高工作频率。这里给出的是理论工作上限制，Virtex-5各个模块工作频率最高大概在400-500MHz之间。当然还要考虑FPGA的输入clk了，即使有DCM等模块分频倍频，一般也不会选择一个很奇怪的分频比。

    一旦工作频率确定下来之后，问题就来了。你所建立的工程是否能在这一要求的工作频率下正常工作？只需要在UCF文件内添加时钟的周期约束，Place & Route之后就可以得到结果了。约束满足了，很好；没有满足，可以改，如何修改将在Achieving Timing Closure中介绍。

    谈到这里，有一个问题呼之欲出：除了器件本身的限制，还有什么会影响工作频率？下文将介绍相关概念。

1. Clock Skew

    考虑同步时序电路中的触发器，在时钟沿到达的时候，数据必须是稳定（非亚稳态）且有效的（符合设计需求）。同步时序电路中，对于两个相连的触发器（譬如下图，Figure6-26），我们自然希望这两个触发器的时钟相位完全一致，但这往往是不现实的。不同的延时将破坏这一关系，延时差称为Clock Skew，即时钟歪斜。

    Clock Skew = clock path delay to the destination synchronous element - clock path delay to te source synchronous element.

    时钟的不同路径延时将破坏其原本完美的相位关系。但并不是说Clock Skew的取值为0是最好的 。Clock Skew是如何影响时钟周期（频率）将在第三节介绍。

    注意，clock skew中只提到了path delay，但是实际上对于destination synchronous element 和source synchronous element而言，时钟的相位可能是不一样的。这一点表现出了时钟的相位和clock skew是独立的两个概念。在前文的OFFSET中，相位的表现为clock arrival time。

 

    上图是一个clock skew的例子，可以看到两个触发器的时钟不是同相的，但是计算clock skew的时候没有必要考虑。以DCM的输出作为参考，源同步元素的路径延时为0.852+0.860+0.639 = 2.351，目的同步元素的路径时延为0.860 + 0.860 +  0.639 = 2.359。故clock skew = 0.008 。

2. Clock Uncertainty

    Clock Uncertainty 的概念比较好理解，就是时钟的不确定性。时钟不确定性是时钟本身的不完美导致的。譬如对于100MHz时钟，上升沿本应该在0ns，10ns，20ns；实际上却在0ns，10.01ns，19.99ns，这个差距就是时钟的不确定性。时钟不确定性受到了多个因素的影响，其中一个因素是clock jitter，关于clock jitter，PERIOD约束中有一个INPUT JITTER的关键字告诉综合工具输入时钟的jitter。譬如

    不同情况下，Clock Uncertainty 的计算方式是不一样的，譬如DCM时钟下

Clock Uncertainty = [√(INPUT_JITTER² + SYSTEM_JITTER²) +  DCM_Discrete_Jitter]/2 + DCM_Phase_Error

    SYSTEM JITTER定义了整个系统的jitter，受到了电源噪声、板级噪声和系统任何外部jitter的影响。对于clock uncertainty和clock jitter来说，好像并没有什么太值得注意的地方。

3. Period 分析

Clock Domains

对于同步时序电路来说，不可避免的有时钟的存在，比较简单的就是所有的触发器都采用了一个时钟。那么可以认为整个设计中的路径都处于这个时钟的覆盖下，如下图，这两个触发器之间的路径是受到这一个时钟的时钟周期约束的。这种情况称为single clock domain。

 

    但是对于大多数设计来说，情况并不是这样的，譬如DCM可以分出不同相位的时钟。如下图，此时两个触发器的时钟不是一样的，而这两个触发器之间的数据路径连接了这两个时钟。什么是时钟域？域即是区域，时钟的区域，在我看来就是时钟覆盖的范围。下图中触发器之间的路径，一端属于clk20，一端属于clk20_90g，横跨了两个时钟域。注意这两个时钟是一个DCM产生的，时钟相关，因此XST能够对其进行分析。本节内容不谈跨时钟域的问题。

举例

    以上图（Figure6-6）为例，计算slack。Requirement取决于两个触发器时钟的相对相位关系。注意到第一个触发器在下降沿采样，第二个触发器相移为90，时钟周期为20ns。结合前文的setup和OFFSET提及的相关概念。这是很好理解的。和OFFSET约束不同的是，OFFSET主要是受到外部信号的相对关系影响，Period则基本取决于设计。通过分析可知，限制最小时钟周期的影响因素在于data path。data path包括了布线延时和逻辑延时。了解到这一点，对之后代码编写是由帮助的。譬如，不能有太复杂的逻辑。（这是因为FPGA的LUT结构输入有限，以4输入为例，逻辑复杂需要LUT级联，那么自然会影响到逻辑延时）

Slack (setup path): 13.292ns (requirement - (data path - clock path skew + uncertainty))

Source: IntC_2 (FF)

Destination: XorB_2 (FF)

Requirement: 15.000ns

Data Path Delay: 2.594ns (Levels of Logic = 1)

Clock Path Skew: -0.086ns

Source Clock: clk0 falling at 10.000ns

Destination Clock: clk90 rising at 25.000ns

Clock Uncertainty: 0.200ns

周期约束分析

    结合三节内容来看，注意式子Slack = requirement - (data path - clock path skew + uncertainty)) 。requirement是由时钟周期确定的，要判断时钟的周期约束是否得到满足，计算data path - clock path skew + uncertainty是否大于requirement 即可。data path是数据路径延时，另两个参数已经在1，2节介绍。