静态时序分析：时钟组间的逻辑独立、物理独立和异步的区别

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        当设计中存在多个时钟（同步或异步）时，该如何使用SDC命令约束设计呢？本文就将对此进行讨论。

逻辑独立

例1 多个时钟完全逻辑独立

图1 逻辑独立的时钟

        以图1所示的待综合设计为例， 其中CLK1和CLK2是来自同一个晶振的分频时钟，频率分别是500MHz和750MHz，由于有确定的相位关系，它们是同步的。

        可以注意到，在待综合设计中两个时钟域不会出现交互情况，但来自两个时钟域的信号通过多路复用器驱动输出端口OUT，而输出端口OUT在外部解复用并分别驱动各自时钟域的寄存器。

        由于两个多路复用/解复用器的选择端是连接在一起的，因此当选择输出CLK1时钟域的信号时，输出端口OUT驱动外部的CLK1时钟域的寄存器；当选择输出CLK2时钟域的信号时，输出端口OUT驱动外部的CLK2时钟域的寄存器；

        假设使用以下的SDC命令约束待综合设计，会发生什么？

create_clock -period 2.0 [get_ports CLK1]
create_clock -period [expr {1000/750.0}] [get_ports CLK2]
set_output_delay -max 0.15 -clock [get_clocks CLK1] [get_ports OUT1]
set_output_delay -max 0.52 -clock [get_clocks CLK2] -add_delay [get_ports OUT1] # 值得注意的是，为了在同一个端口定义两个输出延迟，需要在第二个set_output_delay命令时使用-add_delay选项，否则将会覆盖第一个输出延迟

        在这种情况下，Design Compiler将会认为来自CLK1时钟域的信号可以被CLK2时钟域的寄存器捕获，而来自CLK2时钟域的信号可以被CLK1时钟域的寄存器捕获，从而在这几种情况中找出最严格的发射/捕获沿进行分析，这是过分约束的。实际上，我们希望Design Compiler忽略从CLK1时钟域到CLK2时钟域和CLK2时钟域到CLK1时钟域的时序分析。有两种方法可以完成该要求，使用set_false_path命令或set_clock_groups命令。

        使用两条set_false_path命令，指定起点为时钟CLK1，终点为时钟CLK2的时序路径和起点为时钟CLK2，终点为时钟CLK1的时序路径为虚假路径；使用set_clock_groups命令创建两个逻辑独立的时钟组，分别包含CLK1和CLK2时钟。

create_clock -period 2.0 [get_ports CLK1]
create_clock -period [expr {1000/750.0}] [get_ports CLK2]
set_output_delay -max 0.15 -clock [get_clocks CLK1] [get_ports OUT1]
set_output_delay -max 0.52 -clock [get_clocks CLK2] -add_delay [get_ports OUT1]set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK1]
# 两种方式均可
set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]

例2 多个时钟部分逻辑独立

图2 部分逻辑独立的时钟

        图2所示的例2与例1相似，唯一的区别在于，在待综合设计中时钟域CLK1与时钟域CLK2之间存在时序路径（如图中的红线所示），如果还使用如下所示的SDC命令，会发生什么？

create_clock -period 2.0 [get_ports CLK1]
create_clock -period [expr {1000/750.0}] [get_ports CLK2]
set_output_delay -max 0.15 -clock [get_clocks CLK1] [get_ports OUT1]
set_output_delay -max 0.52 -clock [get_clocks CLK2] -add_delay [get_ports OUT1]set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK1]
# 两种方式均可
set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]

        这会导致待综合设计中时钟域CLK1与时钟域CLK2之间存在的时序路径也被忽略，这不是我们希望发生的，我们只希望忽略经过输出端口的不同时钟域间的时序路径。在这种情况下，只能使用set_false_path命令完成该要求，可以通过使用-through选项获得更加细粒度的控制，而不能使用set_clock_groups命令。

create_clock -period 2.0 [get_ports CLK1]
create_clock -period [expr {1000/750.0}] [get_ports CLK2]
set_output_delay -max 0.15 -clock [get_clocks CLK1] [get_ports OUT1]
set_output_delay -max 0.52 -clock [get_clocks CLK2] -add_delay [get_ports OUT1]set_false_path -from [get_clocks CLK1] \-through [get_ports OUT1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] \-through [get_ports OUT1] -to [get_clocks CLK1]

例3 多个时钟驱动同一个寄存器1

图3 多个时钟驱动同一个寄存器1

        在图3所示的例3中，时钟CLK1和时钟CLK2首先经过输入端口SEL1控制的多路复用器，随后再连接到寄存器的时钟端，也就是说待综合设计中的寄存器要么被时钟CLK1驱动，要么被时钟CLK2驱动。但是默认情况下，Design Compiler不会考虑多路复用器的选择性并认为多个时钟能驱动一个寄存器（该行为可以通过timing_enable_multiple_clocks_per_reg变量改变），因此来自CLK1时钟域的信号可以被CLK2时钟域的寄存器捕获，而来自CLK2时钟域的信号可以被CLK1时钟域的寄存器捕获，Design Compiler将在这几种情况中找出最严格的发射/捕获沿进行分析，这是过分约束的。实际上，我们希望Design Compiler忽略从CLK1时钟域到CLK2时钟域和CLK2时钟域到CLK1时钟域的时序分析。有四种方法可以完成该要求，使用set_disable_timing命令、set_case_analysis命令、set_false_path命令或set_clock_groups命令。

        使用set_disable_timing可以将某个时钟从多路复用器输入端到输出端的时序弧中断，从而忽略有关该时钟的分析；使用set_case_analysis命令可以指定输入端口SEL1的值，从而只允许某个时钟经过多路复用器，从而忽略其他时钟的分析。

create_clock -period ... [get_ports CLK1]
create_clock -period ... [get_ports CLK2]
set_disable_timing [get_cell MUX] -from A -to Y
# 两种方式均可
set_case_analysis 0 [get_port SEL1]

        上面这两种该方法的缺点也很明显，即只能选择某一个时钟进行约束，综合时并不会考虑到其他时钟的影响，这依赖用户选择最严格的时钟进行约束，对于例3这种简单情况下尚可接受，但在例4所示的复杂情况下就会变得困难。

        使用两条set_false_path命令，指定起点为时钟CLK1，终点为时钟CLK2的时序路径和起点为时钟CLK2，终点为时钟CLK1的时序路径为虚假路径；使用set_clock_groups命令创建两个逻辑独立的时钟组，分别包含CLK1和CLK2时钟。 

create_clock -period ... [get_ports CLK1]
create_clock -period ... [get_ports CLK2]set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK1]
# 两种方式均可
set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]

 

例4 多个时钟驱动同一个寄存器2

图4 多个时钟驱动同一个寄存器2

        在图4所示的例4中，时钟CLK1和时钟CLK2首先经过输入端口SEL1控制的多路复用器，随后再连接到部分寄存器的时钟端；时钟CLK3和时钟CLK4首先经过输入端口SEL2控制的多路复用器，随后再连接到部分寄存器的时钟端。在这种情况下，我们希望Design Compiler忽略CLK1时钟域与CLK2时钟域和CLK3时钟域与CLK4时钟域之间的时序分析。与例3类似，有四种方法可以完成该要求，使用set_disable_timing命令、set_case_analysis命令、set_false_path命令或set_clock_groups命令。

        使用set_disable_timing命令或使用set_case_analysis命令的缺点已经在例3中进行了说明，时序分析只能在时钟CLK1或时钟CLK2与时钟CLK3或时钟CLK4之间进行，这依赖用户选择最严格的时钟对进行约束。

        使用四条set_false_path命令，指定起点为时钟CLK1，终点为时钟CLK2的时序路径、起点为时钟CLK2，终点为时钟CLK1、起点为时钟CLK3，终点为时钟CLK4的时序路径和起点为时钟CLK4，终点为时钟CLK3的时序路径的时序路径为虚假路径；使用两条set_clock_groups命令创建逻辑独立的时钟组，其中一对时钟组包含CLK1和CLK2时钟，另一对时钟组包含CLK3和CLK4时钟。 

create_clock -period ... [get_ports CLK1]
create_clock -period ... [get_ports CLK2]
create_clock -period ... [get_ports CLK3]
create_clock -period ... [get_ports CLK4]set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK1]
set_false_path -from [get_clocks CLK3] -to [get_clocks CLK4]
set_false_path -from [get_clocks CLK4] -to [get_clocks CLK3]
# 两种方式均可
set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]
set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK3] -group [get_clocks CLK4]

例5 多个时钟驱动同一个寄存器3

图5 多个时钟驱动同一个寄存器3

        图5所示的例5与例4相似，唯一的区别在于，两个多路复用器的选择端是连接在一起的，只能固定选择时钟CLK1与时钟CLK3或时钟CLK2与时钟CLK4。在这种情况下，我们希望Design Compiler忽略CLK1时钟域与CLK2时钟域、CLK3时钟域与CLK4时钟域、CLK1时钟域与CLK4时钟域和CLK2时钟域与CLK3时钟域之间的时序分析。

        使用set_disable_timing命令或使用set_case_analysis命令的缺点已经在例3中进行了说明，时序分析只能在时钟CLK1与时钟CLK3之间或时钟CLK1与时钟CLK3之间进行，这依赖用户选择最严格的时钟对进行约束。

        如果使用set_false_path命令，则需使用八条时序路径为虚假路径；而只需使用一条set_clock_groups命令创建两个逻辑独立的时钟组，分别包含CLK1、CLK3和CLK2、CLK4时钟。 

create_clock -period ... [get_ports CLK1]
create_clock -period ... [get_ports CLK2]
create_clock -period ... [get_ports CLK3]
create_clock -period ... [get_ports CLK4]set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK1]
set_false_path -from [get_clocks CLK3] -to [get_clocks CLK4]
set_false_path -from [get_clocks CLK4] -to [get_clocks CLK3]
set_false_path -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK4]
set_false_path -from [get_clocks CLK4] -to [get_clocks CLK1]
set_false_path -from [get_clocks CLK2] -to [get_clocks CLK3]
set_false_path -from [get_clocks CLK3] -to [get_clocks CLK2]
# 两种方式均可
set_clock_groups -logically_exclusive -group "CLK1 CLK3" -group "CLK2 CLK4"

物理独立

例6 多个时钟物理独立

图6 物理独立的时钟

        在例2、例3和例4中，在使用set_clock_groups命令时添加了-logically_exclusive选项，那么什么是逻辑独立呢？对于Design Compiler而言，逻辑独立的时钟组可以被简单理解为，不在这些时钟组之间进行时序分析，但对于IC Compiler或PrimeTime-SI而言，逻辑独立的时钟组之间会进行串扰分析，这是基于侵害者和受害者之间的时序重叠窗口进行的。

        例6其实和例3几乎完全一样，唯一的区别在于，时钟CLK1和时钟CLK2是在待综合设计外部经过多路复用器然后从同一个输入端口Clk输入，在这种情况下会在输入端口Clk上定义两个时钟，但在使用set_clock_groups命令时还应该使用-logically_exclusive选项吗？

create_clock -period ... -name CLK1 [get_ports Clk]
create_clock -period ... -name CLK2 -add [get_ports Clk] # 值得注意的是，为了在同一个端口定义两个时钟，需要在第二个create_clock命令时使用-add选项，否则将会覆盖第一个时钟set_clock_groups -logically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]

        答案是否定的。由于逻辑独立的时钟组之间会进行串扰分析，IC Compiler或PrimeTime-SI在分析时会考虑到两个时钟之间的时序重叠窗口，这很显然是不合理（悲观）的，因为在物理上这两个时钟并不会同时进入设计，因此这是过分约束的。

        使用-physically_exclusive选项而不是-logically_exclusive选项，能够获得更加准确的串扰分析，尽管对于Design Compiler而言，这两个选项没有任何区别。

create_clock -period ... -name CLK1 [get_ports Clk]
create_clock -period ... -name CLK2 -add [get_ports Clk]set_clock_groups -physically_exclusive -group [get_clocks CLK1] -group [get_clocks CLK2]

        也许有人会问，既然-physically_exclusive选项比-logically_exclusive选项能够获得更加准确的串扰分析，那为什么不干脆全用-physically_exclusive选项？例1就应该使用-logically_exclusive选项而不是-physically_exclusive选项，因为两个时钟可以同时存在设计内并且相互之间出现串扰。

异步

例7 多个时钟异步

图7 异步时钟

        例1到例6所展示的都是同步时钟，它们来自于同一个晶振，而例7中的两个来自不同晶振输出的异步时钟，它们之间的相位关系是不可预测的，因为每个晶振稳定之后的相位都是不确定。可以从图7中看出，为了避免在跨时钟域时出现亚稳态，在CLKB时钟域中有两级触发器用于同步。

        我们希望Design Compiler忽略CLKA时钟域与CLKB时钟域之间的时序分析，但此时需要使用-asynchronous选项，该选项在Design Compiler中与-physically_exclusive选项、logically_exclusive选项没有任何区别，但是IC Compiler或PrimeTime-SI在分析时会认为两个时钟之间拥有无限宽的时序重叠窗口。

create_clock -period ... [get_ports CLKA]
create_clock -period ... [get_ports CLKB]set_clock_groups -asynchronous -group [get_clocks CLKA] -group [get_clocks CLKB]

时钟分组的建议

        1、如果设计中能共存多个时钟，但通过多路复用器只能选择其中一个，则使用-logically_exclusive选项。

        2、如果设计中不能共存多个时钟（这一般出现在一个时钟源对象上定义了多个时钟），则使用-physically_exclusive选项。

        3、如果设计中能共存多个时钟，但它们没有固定的相位关系，则使用-asynchronous选项。