vivado多时钟周期约束set_multicycle_path使用

Vivado下set_multicycle_path的使用说明

vivado下多周期路径约束（set_multicycle_path）的使用，set_multicycle_path一般在如下情况下使用，源时钟和目的时钟来自同一个MMCM、PLL等同一个IP核，或者源时钟和目的时钟是同一个时钟。只要两个时钟间可进行静态时序分析就可以。在这种情况下，即使不加set_multicycle_path的约束，只要时序分析能过，也是没有问题的，添加set_multicycle_path的作用是为了防止约束过紧，从而侵占了本应该让位其他逻辑的布局、布线资源，还有可能造成其它关键路径的时序违例或建立时间裕量变小的情况，这在资源利用率很高时尤为突出。多周期路径约束的好处在于使布局、布线工具优先考虑其它关键路径。 下面摘抄了一篇比较好的文章介绍。

通常情况下，两个同步的reg进行timing check时，组合逻辑的delay必须在一个时钟周期内到达，才能满足setup的时序。但在某些情况下，从一个寄存器输出到另外一个寄存器的data 端需要不止一个cycle的时间，而且又不影响逻辑的功能。此时，我们可以将这样的path约束为multicycle path。图1所示为一个3cycle的multicycle path的电路结构图和波形图。

因此，我们可以用下面的命令来定义约束：

create_clock -name CLKM -period 10 [get_ports CLKM]

set_multicycle_path 3 -setup -from [get_pins UFF0/Q] -to [get_pins UFF1/D]

setup检查：

默认情况下，当UFF0/CK作为launch clock时（T=0ns时），在T=10ns时UFF1/CK采集到前一级过来的数据。

图1 multicycle path下的 setup时序检查

但是当我们通过以上的命令设置了3个cycle的multicycle path的约束之后，launch clk的沿推到了T=30ns。因此，两个寄存器之间那段组合逻辑的delay要求就放松到了近三个时间cycle。这种情况下setup是比较容易满足的。对应的setup 检查时序报告如下图2所示。

图2 setup检查时序报告

hold检查：

默认情况下，hold检查的沿应该是在T=20ns时刻（较setup capture edge早一个cycle）。这种检查机制好不好呢？显然不好。为什么呢？（可以自己画波形，其实波形已经在图3中了）。从图中看到这样的hold 检查方式，会导致hold可能过度悲观，很难满足hold time的要求。

图3 multicycle path下的 hold时序检查

因此，我们需要像单cycle check的情况一样，即hold检查的沿应该和launch clk的edge一致（T=0时刻）。这样我们的hold time check比较容易满足，也比较科学。那么如何实现这种想法呢？我们引进了如下约束命令：

set_multicycle_path 2 -hold -from [get_pins UFF0/Q] -to [get_pins UFF1/D]

这里面的数字“2”是指将默认的hold check edge往前推2个时钟周期，即从原来的T=20ns时刻往前移到T=0ns时刻。对应的hold时序检查报告如下图3所示。

图4 hold检查时序报告

因此，在我们给设计写约束文件时（定义multicycle path时），需要同时定义如下命令：

set_multicycle_path N -setup -from [get_pins UFF0/Q] -to [get_pins UFF1/D]

set_multicycle_path N-1 -hold -from [get_pins UFF0/Q] -to [get_pins UFF1/D]

如果只定义了-setup 3 而没有定义-hold时，工具hold check时， 默认的 clock edge为capture edge（setup timing check时）前一个cycle的那个edge。

上面的例子是两个寄存器是被同一个CLK所驱动的。下面分析一下在两个不同时钟主频的情况下使用set_multicycle_path的情况。可以分为三种情况：

（1）从慢时钟到快时钟的同步跨时钟路径

图5 思考题波形图

set_multicycle_path N -setup -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

set_multicycle_path N-1 -hold -end -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

（2）由快时钟域到慢时钟域

set_multicycle_path N -setup -start -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

set_multicycle_path N-1 -hold -from [get_clocks CLK1] -to [get_clocks CLK2]

（3）两个时钟存在相移

此种情况用如下约束

setup or hold和start or end时钟的对应关系如下