配置STA环境(上)

Posted 2022-11-25 KuoGavin

文章目录

• • 7.1 什么是STA环境(What is the STA Environment)
  • 7.2 指定时钟(Specifying Clocks)
  • • 7.2.1 时钟不确定度(Clock Uncertainty)
    • 7.2.2 时钟延迟(Clock Latency)
  • 7.3 衍生时钟(Generated Clocks)
  • • 时钟门控单元输出端的主时钟示例(Example of Master Clock at Clock Gating Cell Output)
    • 使用Edge和Edge_shift选项生成时钟(Generated Clock using Edge and Edge_shift Options)
    • 使用Invert选项生成衍生时钟(Generated Clock using Invert Option)
    • 衍生时钟的时钟延迟(Clock Latency for Generated Clocks)
    • 典型时钟生成方案(Typical Clock Generation Scenario)
  • 7.4 约束输入路径(Constraining Input Paths)
  • 7.5 约束输出路径(Constraining Output Paths)
  • 知乎圣经链接

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本章节介绍了如何为静态时序分析配置环境。正确的约束对于分析STA结果很重要，只有准确指定设计环境，STA分析才能够识别出设计中的所有时序问题。STA的准备工作包括设置时钟、指定IO时序特性以及指定伪路径和多周期路径。在继续学习下一章的时序验证之前，请务必全面了解本章节。

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7.1 什么是STA环境(What is the STA Environment)

大部分数字设计是同步的，从前一个时钟周期计算出的数据在时钟有效沿上被锁存在触发器中。考虑图7-1中的典型同步设计。假定待分析设计(Design Under Analysis, DUA)会与其他同步设计交互。这意味着DUA从一个时钟触发器获取数据并将数据输出至DUA外的另一个时钟触发器。

为对这种设计执行STA，需要指定触发器的时钟，且需要进入和退出设计的所有路径的时序约束。

图7-1中的例子假定这里只有一个时钟和$C1$，$C2$，$C3$，$C4$，和$C5$表示组合逻辑块，其中$C1$和$C5$在设计之外。

在一个典型设计中，可以有多个时钟，且存在多个路径从一个时钟域到另一个时钟域。以下部分描述了在这个场景下如何配置STA环境。

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7.2 指定时钟(Specifying Clocks)

定义一个时钟，需要以下信息：

• $i$. 时钟源(Clock source)：可以是设计的一部分，或是设计内单元的引脚(通常是时钟生成逻辑的一部分)；
• $ii$. 周期(Period)：时钟的时间周期；
• $iii$. 占空比(Duty cycle)：高电平持续时间(正相位)和低电平持续时间(负相位)；
• $iv$. 边沿时间(Edge time)：上升沿和下降沿的时刻；

基本定义如图7-2所示。通过定义时钟，所有的内部时序路径(所有触发器到触发器的路径)均受到约束；这意味着所有的内部路径可仅使用时钟约束(clock specification)来分析。时钟约束指定触发器到触发器的路径必须占用一个周期。我们将介绍占用一个周期时间的要求怎样可以放宽。

这里有一个基本时钟约束/规范(specification和contraint在SDC规格中是同义词)：

create_clock \\
-name SYSCLK \\
-period 20 \\
-waveform 0 5 \\
[get_ports2 SCLK]

该时钟名为SYSCLK，并在端口SCLK上定义。SYSCLK的周期指定为$20$个单位，如果未指定，默认时间单位为纳秒(通常，时间单位会在技术库中进行指定)。waveform中的第一个自变量指定出现上升沿的时刻，第二个自变量指定出现下降沿的时刻。

waveform选项中可以指定任意数量的边沿。但是，所有边沿必须在一个周期内。边沿时刻从零时刻之后的第一个上升沿开始，然后是下降沿，然后再是上升沿，以此类推，这意味着waveform列表中的所有时刻值必须单调增加。

-waveform time_rise time_fall time_rise time_fall ...

另外，必须指定偶数个边沿时刻。waveform选项将指定一个时钟周期内的波形，然后不断重复。如果未指定任何waveform选项，则默认值为：

-waveform 0, period/2

如下图7-3所示是一个没有指定waveform选项的时钟约束的示例：

create_clock -period 5 [get_ports SCAN_CLK]

在此约束中，由于未指定-name选项，因此时钟的名称与端口的名称相同，即SCAN_CLK。

下图7-4是时钟约束的另一个示例，其中波形的边沿在一个周期的中间位置。

create_clock -name BDYCLK -period 15 \\
	-waveform 5 12 [get_ports GBCLK]

所创建时钟的名字为BDYCLK且其被定义在端口GBLCLK上。实际上，将时钟名和端口名保持一致最好。

以下是更多的时钟约束示例：

# See Figure 7-5(a):
create_clock -period 10 -waveform 5 10 [get_ports FCLK]
# Creates a clock with the rising edge at 5ns and the
# falling edge at 10ns.

# See Figure 7-5(b):
create_clock -period 125 \\
-waveform 100 150 [get_ports ARMCLK]
# Since the first edge has to be rising edge,
# the edge at 100ns is specified first and then the
# falling edge at 150ns is specified. The falling edge
# at 25ns is automatically inferred.

# See Figure 7-6(a):
create_clock -period 1.0 -waveform 0.5 1.375 MAIN_CLK
# The first rising edge and the next falling edge
# is specified. Falling edge at 0.375ns is inferred
# automatically.

# See Figure 7-6(b):
create_clock -period 1.2 -waveform 0.3 0.4 0.8 1.0 JTAG_CLK
# Indicates a rising edge at 300ps, a falling edge at 400ps,
# a rising edge at 800ps and a falling edge at 1ns, and this
# pattern is repeated every 1.2ns.

还有一些时钟约束如下：

create_clock -period 1.27 \\
-waveform 0 0.635 [get_ports clk_core]
create_clock -name TEST_CLK -period 17 \\
-waveform 0 8.5 -add [get_ports ip_io_clk[0]]
# The -add option allows more than one clock
# specification to be defined at a port.

除了上述属性外，还可以在时钟源处指定过渡时间/压摆(transition_time/slew)。在某些情况下，例如顶层的输入端口或某些PLL的输出端口，工具无法自动计算出过渡时间。在这种情况下，在时钟源处显式地指定过渡时间很有用，这可以使用set_clock_transition命令来指定。

set_clock_transition -rise 0.1 [get_clocks CLK_CONFIG]
set_clock_transition -fall 0.12 [get_clocks CLK_CONFIG]

这个约束仅适用于理想时钟，一旦构建了时钟树就将其忽略，因为此时将会使用时钟引脚上的实际过渡时间。如果在输入端口上定义了时钟，也可以使用set_input_transition命令(参见7.7节)来约束时钟的压摆。

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7.2.1 时钟不确定度(Clock Uncertainty)

可以使用set_clock_uncertainty约束来指定时钟周期的时序不确定度(uncertainty)，该不确定度可用于对可能会减少有效时钟周期的各种因素进行建模。 这些因素可能是时钟抖动(jitter)以及可能需要在时序分析中考虑的任何其它悲观因素。

set_clock_uncertainty -setup 0.2 [get_clocks CLK_CONFIG]
set_clock_uncertainty -hold 0.05 [get_clocks CLK_CONFIG]

注意，建立时间检查的时钟不确定度将减少可用的有效时钟周期，如图7-7所示。对于保持时间检查，时钟不确定度将用作需要满足的额外时序裕量。

以下命令可用于指定跨时钟边界路径上的时钟不确定度，称为时钟间不确定度(inter-clock uncertainty)。

set_clock_uncertainty -from VIRTUAL_SYS_CLK -to SYS_CLK \\
-hold 0.05
set_clock_uncertainty -from VIRTUAL_SYS_CLK -to SYS_CLK \\
-setup 0.3
set_clock_uncertainty -from SYS_CLK -to CFG_CLK -hold 0.05
set_clock_uncertainty -from SYS_CLK -to CFG_CLK -setup 0.1

图7-8中为两个不同时钟域SYS_CLK和CFG_CLK之间的路径。根据上述时钟间不确定度的约束，将$100ps$用作建立时间检查的不确定度，将$50ps$用作保持时间检查的不确定度。

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7.2.2 时钟延迟(Clock Latency)

可以使用set_clock_latency命令指定时钟的延迟。

# Rise clock latency on MAIN_CLK is 1.8ns:
set_clock_latency 1.8 -rise [get_clocks MAIN_CLK]
# Fall clock latency on all clocks is 2.1ns:
set_clock_latency 2.1 -fall [all_clocks]
# The -rise, -fall refer to the edge at the clock pin of a
# flip-flop.

时钟延迟有两种类型：网络延迟(network latency)和源延迟(source latency)，触发器时钟引脚上的总时钟延迟是源延迟和网络延迟之和:

• 网络延迟是指从时钟定义点(create_clock)到触发器时钟引脚的延迟；
• 源延迟，也称为插入延迟(insertion delay)，是指从时钟源到时钟定义点的延迟，源延迟可能代表片上或片外延迟，图7-9展示了这两种情况；

以下是一些指定源延迟和网络延迟的命令示例：

# Specify a network latency (no -source option) of 0.8ns for
# rise, fall, max and min:
set_clock_latency 0.8 [get_clocks CLK_CONFIG]
# Specify a source latency:
set_clock_latency 1.9 -source [get_clocks SYS_CLK]
# Specify a min source latency:
set_clock_latency 0.851 -source -min [get_clocks CFG_CLK]
# Specify a max source latency:
set_clock_latency 1.322 -source -max [get_clocks CFG_CLK]

源延迟和网络延迟之间的一个重要区别是：一旦为设计建立了时钟树，就可以忽略网络延迟(假设指定了set_propagated_clock命令)。但是，即使在建立时钟树之后，源延迟也会保留。网络延迟是在进行时钟树综合(Clock Tree Synthesis)之前对时钟树延迟的估计值。在时钟树综合完成后，从时钟源到触发器时钟引脚的总时钟延迟是源延迟加上时钟树从时钟定义点到触发器的实际延迟。

下一节将介绍衍生时钟(generated clocks)，7.9节将介绍虚拟时钟(virtual clocks)。

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7.3 衍生时钟(Generated Clocks)

衍生时钟是从主时钟(master clock)所派生出来的。主时钟使用create_clock命令来定义指定。

当在一个设计中基于主时钟产生一个新的时钟时，新时钟被定义为衍生时钟。例如，如果有一个时钟的三分频电路(divide-by-3 circuitry)，则将在该电路的输出处定义一个衍生时钟。由于STA不知道分频逻辑输出的时钟周期已更改，更重要的是新的时钟周期是多少，因此需要定义衍生时钟。图7-10给出了衍生时钟示例，该时钟是主时钟的$CLKP$的二分频(divide-by-2)。

create_clock -name CLKP 10 [get_pins UPLL0/CLKOUT]
	# Create a master clock with name CLKP of period 10ns
	# with 50% duty cycle at the CLKOUT pin of the PLL.
create_generated_clock -name CLKPDIV2 -source UPLL0/CLKOUT \\
	-divide_by 2 [get_pins UFF0/Q]
	# Creates a generated clock with name CLKPDIV2 at the Q
	# pin of flip-flop UFF0. The master clock is at the CLKOUT
	# pin of PLL. And the period of the generated clock is double
	# that of the clock CLKP, that is, 20ns.

可以在触发器的输出端口定义一个新时钟是主时钟，而非衍生时钟吗？答案是肯定的，这确实是可能的，但是它也有一些缺点。定义主时钟而不是衍生时钟会创建一个新的时钟域。通常这不是问题，除了在设置￥STA约束时需要处理更多的时钟域外。相反，将新时钟定义为衍生时钟不会创建新的时钟域，并且衍生时钟会被认为与其主时钟同相，衍生时钟不需要进行额外的约束。因此，尽量将内部新生成的时钟定义为衍生时钟，而不是将其声明为另一个主时钟。

主时钟和衍生时钟之间的另一个重要区别是时钟源的概念。在主时钟中，时钟源位于主时钟的定义点。而在衍生时钟中，时钟源是主时钟的源而不是衍生时钟的源。这意味着在时钟路径报告中，时钟路径的起点始终是主时钟的定义点。这样一来，与定义新的主时钟相比，衍生时钟具有很大优势，因为对于新的主时钟，是不会自动考虑源延迟的。

图7-11给出了一个在两个输入端都有时钟的多路复用器示例，在这种情况下，不必在多路复用器的输出端定义时钟。如果选择信号设置为常数，则多路复用器的输出会自动获取正确的时钟传播。而如果多路复用器的选择端不受约束，则出于STA的目的，两个时钟都将通过多路复用器传播。在这样的情况下，STA会报告出$TCLK$和$TCLKDIV5$之间的路径。注意，这样的路径是不可能存在的，因为选择信号只能选择一个多路复用器的时钟输入。在这种情况下，可能需要设置伪路径或指定这两个时钟之间的互斥(exclusive)关系，以避免报告出错误的路径。当然，这假定设计中其它部分的$TCLK$和$TCLKDIV5$之间没有路径。

如果多路复用器选择信号不是静态不变的并且在运行期间会发生变化，这样会发生什么呢？ 在这种情况下，会对多路复用器输入端进行时钟门控(clock gating)检查，时钟门控检查将在第$10$章中介绍，这些检查可确保多路复用器输入端的时钟相对于多路复用器选择信号能够安全地切换。

图7-12给出了一个示例，其中时钟$SYS\_CLK$由触发器的输出进行门控。由于触发器的输出可能不是恒定的，因此处理这种情况的一种方法是在与门单元的输出处定义一个衍生时钟，该时钟与输入时钟相同。

create_clock 0.1 [get_ports SYS_CLK]
	# Create a master clock of period 100ps with 50%
	# duty cycle.
create_generated_clock -name CORE_CLK -divide_by 1 \\
	-source SYS_CLK [get_pins UAND1/Z]
	# Create a generated clock called CORE_CLK at the
	# output of the and cell and the clock waveform is
	# same as that of the master clock.

下一个示例是一个衍生时钟，其频率高于源时钟的频率。波形如图7-13所示：

create_clock -period 10 -waveform 0 5 [get_ports PCLK]
	# Create a master clock with name PCLK of period 10ns
	# with rise edge at 0ns and fall edge at 5ns.
create_generated_clock -name PCLKx2 \\
	-source [get_ports PCLK] \\
	-multiply_by 2 [get_pins UCLKMULTREG/Q]
	# Creates a generated clock called PCLKx2 from the
	# master clock PCLK and the frequency is double that of
	# the master clock. The generated clock is defined at the
	# output of the flip-flop UCLKMULTREG.

请注意，在主时钟定义中指定了主时钟周期，然后-multiply_by(倍频)和-divide_by(分频)选项指定了衍生时钟的频率。

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时钟门控单元输出端的主时钟示例(Example of Master Clock at Clock Gating Cell Output)

考虑图7-14中所示的时钟门控示例，两个时钟分别输入至一与门单元中，问题是与门单元的输出是什么？如果与门单元的输入均为时钟，则可以安全地在与门单元的输出端定义一个新的主时钟，因为单元的输出不太可能与任何一个输入时钟有任何相位关系。

create_clock -name SYS_CLK -period 4 -waveform 0 2 \\
	[get_pins UFFSYS/Q]
create_clock -name CORE_CLK -period 12 -waveform 0 4 \\
	[get_pins UFFCORE/Q]
create_clock -name MAIN_CLK -period 12 -waveform 0 2 \\
	[get_pins UAND2/Z]
	# Create a master clock instead of a generated clock
	# at the output of the and cell.

在内部引脚上创建时钟的一个缺点是：它会影响路径延迟计算，并迫使设计人员手动计算源延迟。

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使用Edge和Edge_shift选项生成时钟(Generated Clock using Edge and Edge_shift Options)

图7-15给出了一个衍生时钟的示例，除两个不同相的时钟外，还会生成一个二分频时钟。各时钟的波形也显示在图中。

该例的时钟定义如下。衍生时钟定义说明了-edge选项是定义衍生时钟的又一方式。该选项采用源主时钟$rise,fall,rise$列表的方式来形成新的衍生时钟。主时钟的第一个上升沿是第一个沿($firstedge$)，第一个下降沿是第二个沿($edge2$)，下一个上升沿是第三个沿($edge3$)，以此类推。

create_clock 2 [get_ports DCLK]
	# Name of clock is DCLK, has period of 2ns with a
	# rise edge at 0ns and a fall edge at 1ns.
create_generated_clock -name DCLKDIV2 -edges 2 4 6 \\
	-source DCLK [get_pins UBUF2/Z]
	# The generated clock with name DCLKDIV2 is defined at
	# the output of the buffer. Its waveform is formed by
	# having a rise edge at edge 2 of the source clock,
	# fall edge at edge 4 of the source clock and the next
	# rise edge at edge 6 of the source clock.
create_generated_clock -name PH0CLK -edges 3 4 7 \\
	-source DCLK [get_pins UAND0/Z]
	# The generated clock PH0CLK is formed using
	# the 3, 4, 7 edges of the source clock.
create_generated_clock -name PH1CLK -edges 1 2 5 \\
	-source DCLK [get_pins UAND1/Z]
	# The generated clock with name PH1CLK is defined at
	# the output of the and cell and is formed with
	# edges 1, 2 and 5 of the source clock.

如果衍生时钟的第一个边沿是下降沿怎么办？考虑如图7-16所示的衍生时钟$G3CLK$。可以通过指定边沿$5$、$7$和$10$来定义这种衍生时钟，如以下时钟约束所示。注意，$1ns$时刻的下降沿将被自动推断出来。

create_generated_clock -name G3CLK -edges 5 7 10 \\
	-source DCLK [get_pins UAND0/Z]

-edge_shift选项可与-edges选项一起使用，以指定相应边沿的任何偏移以形成新的衍生波形。它指定边沿列表中每个边沿的偏移量(以时间单位)。以下是使用此选项的示例：

create_clock -period 10 -waveform 0 5 [get_ports MIICLK]
create_generated_clock -name MIICLKDIV2 -source MIICLK \\
	-edges 1 3 5 [get_pins UMIICLKREG/Q]
	# Create a divide-by-2 clock.
create_generated_clock -name MIIDIV2 -source MIICLK \\
	-edges 1 1 5 -edge_shift 0 5 0 [get_pins UMIIDIV/Q]
	# Creates a divide-by-2 clock with a duty cycle different
	# from the source clock's value of 50%.

边沿列表中的边沿序列必须以非降序排列，但是同一边沿可重复使用，以指示不同于源时钟占空比的时钟脉冲。上例中的-edge_shift选项通过将源时钟的边沿以上是关于配置STA环境(上)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

STA chapter7 配置sta环境

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配置STA环境(下)

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