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FPGA时序分析与约束（11）——时钟组

news 来源：原创 2025/9/7 2:45:38

一、同步时钟与异步时钟

二、逻辑与物理独立时钟

2.1 逻辑独立时钟

2.2 物理独立时钟

三、如何设置时钟组

四、注意事项

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FPGA时序分析与约束（0）——目录与传送门https://ztzhang.blog.csdn.net/article/details/134893857

一、同步时钟与异步时钟

在一个复杂系统的设计中，通常包含有多个时钟。这个时候，我们在进行时序分析的时候，不仅需要关注时钟频率，还需要关注不同时钟之间的关联关系。

同步时钟指的是一种共享确定相位关系的时候，通常同步时钟是同源的。例如基准时钟 clk_100m → 分频得到 clk_50m（同步关系）。
异步时钟则不共享固定的相位关系，通常来说，他们不是来源于同一个主时钟或者没有相同的周期。例如：来自独立的晶振、时钟发生器或FPGA不同全局时钟网络（如 clk_a 来自外部晶振，clk_b 来自另一个板载时钟源）。

如果不进行正确的时钟组区分，时序工具（如Vivado）默认会检查所有时钟之间的路径。如果两个时钟实际是异步的（如来自不同晶振），但未声明为异步组，工具会强制分析它们的时序关系（例如建立时间/保持时间）。由于异步时钟的相位关系随机，这种分析毫无意义，且会生成大量虚假违例，干扰真正的时序问题定位。例如：时钟A（100MHz）和时钟B（25MHz）来自不同的晶振。若未声明异步，工具会尝试分析A的上升沿与B的上升沿所有可能的对齐方式，导致无法满足的时序要求。

此外，异步时钟路径的检查会增加工具的运行时间和内存占用。显式声明异步组后，工具会跳过这些路径的分析，提升编译效率。而且异步时钟组的声明是CDC设计的第一步。它提示设计者必须对跨时钟域信号采用同步措施（如两级触发器、FIFO等），否则工具可能忽略潜在的亚稳态风险。

二、逻辑与物理独立时钟

在数字电路设计中，逻辑独立时钟（Logically Exclusive Clocks）和物理独立时钟（Physically Independent Clocks）是两个关键概念，直接影响时序约束和功能可靠性。

2.1 逻辑独立时钟

逻辑独立时钟通常指的是多个时钟在逻辑上不会同时激活（例如通过多路复用器选择，同一时刻仅有一个时钟有效）。硬件行为：时钟的切换通常由控制信号（如 sel）决定，且切换时可能有保护电路（如握手协议）。如下图中的C1和C2，就是一组逻辑独立时钟。

2.2 物理独立时钟

如下图所示，由于C1,C2是逻辑独立的，因此两个生成时钟GC1和GC2也是独立的，但是它们不会存在于同一个网络下，因此，GC1和GC2被认为是物理独立的。

三、如何设置时钟组

为了能让时序工具正确识别异步时钟，我们可以采用set_clock_groups命令。该命令的BNF为：

set_clock_groups[-name group_name][-group clock_list][-logically_exclusive][-physically_exclusive][-asynchronous][-allow_paths][-comment string]

互斥性声明（必须选其一）：

        -asynchronous：声明组内时钟为异步关系（最常见，用于不同源时钟）。

        -physically_exclusive：时钟在物理上不可能同时存在（如动态切换的时钟）。

        -logically_exclusive：时钟在逻辑上不会同时激活（如多路复用时钟）。

可选参数：

        -name：为时钟组命名（用于调试和报告）。

        -group：指定属于同一组的时钟列表（可多次使用，每组时钟与其他组异步）。

        -comment：添加注释（如注明时钟来源）。

        -quiet/-verbose：控制命令执行时的输出信息级别。

四、注意事项

在设定时钟组时,设计者必须注意以下几点:

尽管你可能定义了一个时钟组,但这并不意味着它们就是同步的。组内时钟之间的关系可另外定义(可利用set_clock_group指令或者工具默认的设置)。

使用错误的选项(-physically_exclusive、-logically_exclusive、-asynchronous)定义时钟组可能不会影响时序,因为所有受影响的时序电路路径都被忽略了,但这会影响信号完整性分析。

即便定义了主时钟和其他时钟之间的时钟组关系,这种关系也不会被主时钟派生出的生成时钟所继承。所有的关系都应当明确地设定。

记住时钟分组最好的办法是：

a)如果设计中共存多个时钟,却没有相位关系,则应在set_clock_group中设定-asynchronous.

b)如果设计中共存多个时钟,并且电路仅选择其中一个,则应在set_clock_group中设定-logically_exclusive.

c)如果设计中不能共存多个时钟,则应在set_clock_group中设定-physically_exclusive。