基于Xlinx的时序分析、约束和收敛（4）----主时钟约束

孤独的单刀 2023-06-12 原文

主时钟约束语法

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主时钟约束，就是我们对主时钟（Primary Clock）的时钟周期进行约束（告诉综合工具布局布线的标准），这个约束是我们用的最多的约束了，也是最重要的约束。

主时钟必须与一个网表对象相连，该对象代表了所有时钟边沿的开始点，并且在时钟树中向下传递；也可以说，主时钟的源点定义了0时刻，Vivado靠此来计算时钟延迟和不确定性；vivado会忽略所有时钟树上从主时钟上游的单元到主时钟之间的延时！

主时钟通常有两个来源：（1）板级时钟（主要是晶振）通过输入端口进入FPGA；（2）FPGA的GT收发器的输出管脚（如恢复时钟）。

主时钟只能通过create_clock命令来定义，且必须放在约束的开始，这是因为其它时序约束几乎都要参考主时钟。其基本语法如下：

create_clock -name <clock_name> -period <period> -waveform {<rise_time><fall_time>} [get_ports <port_name>]

-name：由设计者指定的主时钟名称，用于标识定义的主时钟，若不指定，则会默认使用<port_name>作为主时钟名称
-period：是定义的主时钟周期，单位ns，取值必须大于0
-waveform ：{<rise_time><fall_time>}分别代表时钟的上升沿和下降沿，用于指定占空比和时钟相位，单位为ns；若不指定，则时钟占空比默认为50%且第一个上升沿为0时刻
get_ports表示定义的主时钟的物理节点是FPGA的物理引脚；而GT收发器的引脚则使用get_pins来定义

例1：引脚输入的主时钟约束

下图是一个从引脚sysclk进入FPGA的主时钟，其时钟周期为10ns，占空比50%且不存在相移。

根据主时钟约束的语法，其应该被约束为：

create_clock -period 10 [get_ports sysclk]

该语句定义了名为sysclk的物理节点产生的时钟sysclk，其时钟周期为10ns、占空比为50%（没有定义时的默认占空比）。需要注意的是，这个实例省去了主时钟的名称，以及省去了用 -waveform参数来描述其占空比与相位关系。

类似的，假设有一个外部时钟devclk通过ClkIn进入FPGA作为主时钟，其周期为10ns，占空比25%，相移90度。该时钟根据语法应该被约束为：

create_clock -name devclk -period 10 -waveform {2.5 5} [get_ports ClkIn]

该语句定义了名为ClkIn的物理节点产生的时钟devclk ，其时钟周期为10ns、占空比为50%，第一个上升沿在时刻2.5ns而第一个下降沿则在时刻5ns。

例2：高速收发器GT的恢复时钟

时钟源由高速收发器gt0提供，如下图所示：

进入FPGA，之后经过混合时钟管理单元MMCM生成其他时钟，以gt0发出的时钟为主时钟，其他生成时钟都有一个共同的时钟源，使用如下命令定义：

create_clock -name rxclk -period 3.33 [get_pins gt0/RXOUTCLK]

该语句定义了名为gt0/RXOUTCLK的物理节点产生的时钟rxclk，其时钟周期为3.33ns、占空比为50%（默认情况下的占空比）。

例3：差分时钟约束

差分时钟是指时钟是以差分形式（P端与N端）一起进入FGPA的时钟，比如差分晶振等，这种情况只需要约束差分时钟的P端即可，N端可以被vivado自动识别到。如果同时约束了正、负两端，反而会导致未知错误。

像上图这种差分时钟就可以这样约束（仅约束了P端）：

create_clock -name sysclk -period 3.33 [get_ports SYS_CLK_clk_p]

主时钟约束实战

在了解了主时钟约束的语法后，我们接着来学习一下，如何具体地在vivado中使用它。

我们首先新建一个简单的工程，并实现以下代码（一个简单的两拍寄存器）：

module test(
	input		sys_clk,
	input		in,
	output		out
);

assign out = out_rr;

reg out_r,out_rr;

always @(posedge sys_clk)begin
	out_r <= in;
	out_rr <= out_r;
end

endmodule

由于vivado中的时序约束语句都是保存在XDC文件中，所以我们新建一个XDC文件用来保存我们的时序约束语句，步骤如下：

要实现主时钟约束的方法有好几种，但是不管是哪一种，最终的目的都是要把上面学到的主时钟约束语句给写入到XDC文件（timing.xdc）中去。

方法一：在Tcl窗口直接输入

直接在Tcl Console窗口输入主时钟约束语句：

create_clock -period 10.000 -name sysclk -waveform {0.000 5.000} [get_ports sys_clk]

然后点击vivado左上角的保存约束按钮，将其保存到对应的XDC文件中：

此时，再打开timing.xdc文件，就已经出现了主时钟约束语句：

方法二：GUI界面输入

可能有时候不太记得主时钟约束语句的语法，没有关系，我们可以使用GUI界面来创建该语句。

GUI界面使用简单方便，是个非常好的人机交互。在创建了XDC文件后，把工程综合完成，点击 edit timing constraints，打开时序约束编辑界面：

左侧是约束分类区，展示了各种各样的时序约束；右侧是对应的约束编辑区；下方是已有的约束的展示区域。

先选择左侧的“create clock”后点击约束编辑区的+号，编辑一条新的主时钟约束语句（信息对应着填一下就可以了，没啥好说的）：

此时vivado左侧的保存约束按钮又可以按下了，按下将这一条语句保存：