FPGA时序约束之衍生时钟约束和时钟分组约束

在FPGA设计中，时序约束对于电路性能和可靠性非常重要。在上一篇的文章中，已经详细介绍了FPGA时序约束的主时钟约束。

本文将重点讲解衍生时钟约束和时钟分组约束设置，给出详细的约束命令和示例介绍。

一、衍生时钟约束

衍生时钟（Generated Clocks），也叫生成时钟，是从FPGA的主时钟信号派生出来的子时钟信号。

这些子时钟信号可以在FPGA内部的不同区域使用，以满足不同模块的需求。通常是由MMCM或PLL或由组合逻辑生成的倍、分频时钟信号。

衍生时钟与源时钟的关系如下：

• 简单的频率分频
• 简单的频率倍频
• 频率倍频与分频的组合，获得一个非整数的比例
• 相移或波形反相
• 占空比改变
• 上述所有关系的组合

衍生时钟的约束，需要可以在时钟树中加入生成的时钟，可以使用create_generated_clock命令来定义衍生时钟的时钟约束。其语法如下：

create_generated_clock -name < generated_clock_name > \\
                       -source < master_clock_source_pin_or_port > \\
                       -multiply_by < mult_factor > \\
                       -divide_by

参数	含义
-name	时钟名称
-source	源时钟
-multiply_by	相对于源时钟的倍频系数
-divide_by	相对于源时钟的分频系数
pin_or_port	物理节点

通过create_generated_clock命令，我们就可以非常灵活地定义衍生时钟的时序约束，并将其与主时钟相结合，保证电路的稳定性和正确性。

创建时钟示例：

create_clock -name clk_24m -period 10 [get_ports sys_clk]
create_generated_clock -name clkdiv2 -source [get_ports clk_24m] -divide_by 2 \\ [get_pins REGA/Q]

衍生时钟通常有两种情况：“FPGA开发软件自动推导的衍生时钟”和“用户自定义的衍生时钟”

对于FPGA开发软件自动推导出来的衍生时钟 ，比如MMCM和PLL分频输出来的时钟，可以不用写入时序约束，只需要对输入MMCM和PLL的主时钟做时序约束即可。

用户自定义的衍生时钟 ，通常指的是用户通过组合逻辑构建的分频时钟，这就需要我们自己来写衍生时钟约束。

二、时钟分组约束

FPGA电路中除了主时钟以外，还有很多其他衍生时钟，如DFF的时钟、时钟分频器的时钟等。

这些时钟对于电路性能和可靠性非常重要。

所以需要将这些衍生时钟和主时钟分组，并定义它们之间的层次关系，以确保电路的稳定运行。

在Vivado中可以使用set_clock_groups命令来定义时钟分组。其语法如下：

set_clock_groups -name < group_name > 
                 -group < group_type > < async_port_list > < sync_port_list\\ > [-logically\\_exclusive]

参数	含义
-name	时钟分组命名
-group	时钟分组的类型
aysnc_port_list	异步端口列表
sync_port_list	同步端口列表
-logically_exclusive	用于指定是否为逻辑独立分组

1、两个主时钟是异步关系

create_clock -period 12 -name clk1 [get_ports clk1]
create_clock -period 6 -name clk2 [get_ports clk2]
set_clock_groups -asynchronous -group clk1 -group clk2

2、验证同一个时钟端口下，不同时钟频率的时序是否收敛

create_clock -name clk1A -period 20.0 [get_ports clk1]
create_clock -name clk1B -period 10.0 [get_ports clk1] -add
create_clock -name clk1C -period 5.0  [get_ports clk1] -add 
create_clock -name clk2 -period 10.0 [get_ports clk2]
set_clock_groups -physically_exclusive -group clk1A -group clk1B -group clk1C
set_clock_groups -asynchronous -group "clk1A clk1B clk1C" -group clk2

3、BUFGMUX

通过MMCM生成有两个时钟输入BUFGMUX时，只有一个时钟会被使用，这时设置的时序约束为：

set_clock_groups -logically_exclusive \\
-group [get_clocks -of [get_pins inst_mmcm/inst/mmcm_adv_inst/CLKOUT0]] \\
-group [get_clocks -of [get_pins inst_mmcm/inst/mmcm_adv_inst/CLKOUT1]]

三、总结

本文详细介绍了衍生时钟约束和时钟分组约束，这两个是在时序约束中常见的写法，大家在学习时序约束时，可以对照着学习理解。