静态时序分析简明教程(七)]端口延迟

一、写在前面

一个数字芯片工程师的核心竞争力是什么？不同的工程师可能给出不同的答复，有些人可能提到硬件描述语言，有些人可能会提到对于特定算法和协议的理解，有些人或许会提到对于软硬件的结合划分，作者想说，这些说法，其实对也不对，硬件描述语言，翻来覆去无非是always和assign这几个语句的反复使用，而一些基础的协议算法，深究起来其实也并不复杂，于作者而言，在常规的技能以外，有两项额外的技能颇为重要，其中之一便为sdc/STA的分析能力，它的重要之处在于作为桥梁建立了前端和后端的连接，虽然对于DE工程师而言，初版交付的sdc往往不甚准确，也没有办法通过这份sdc生成一份无误的timing report，但sdc的内容体现却是完完整整的将时序约束从行为级的描述映射到了gate level这样一个真实的电路层次上面。
写此专栏，一为学习记录，二为交流分享，以犒粉丝读者。

1.1 快速导航链接·

静态时序分析简明教程(一)绪论
静态时序分析简明教程(二)基础知识：建立保持时间，违例修复，时序分析路径
静态时序分析简明教程(三)备战秋招，如何看懂一个陌生的timing report
静态时序分析简明教程(四)时钟常约束
静态时序分析简明教程(五)生成时钟
静态时序分析简明教程(六)时钟组与其他时钟特性
静态时序分析简明教程(七)端口延迟
静态时序分析简明教程(八)虚假路径
静态时序分析简明教程(九)多周期路径
静态时序分析简明教程(十)组合电路路径
静态时序分析简明教程(十一)模式分析与约束管理
静态时序分析简明教程(十二)浅议tcl语言

二、端口延迟

2.1 输入有效

假如我们想分析B2模块的静态时序，它的来源于F1寄存器Q端的输出，信号从Clk1开始，经过Clk1到Q，wire的延时，C1与C2的组合逻辑，到达B2模块的边界，这些不同来源的延时如何分配对于B2模块的分析不产生影响，我们只需要确定一个总的信号经过多长时间出现在输入端口，进行约束即可。

2.2 输出有效

与之相似的，我们对于B1模块的输出端口分析，输出需要保持的时间长度，需要允许信号经过C2，C3，互连线延时，和F2的建立时间之和，但是同样的，我们也不需要关心这几种信号之间的分配关系，作为一个整体进行约束即可。

举一个简单的例子：
假如我们讨论B1的output端口（此时信号已经经过C1了），输出的延迟为6ns，而B2的寄存器会在10ns的时间进行采样，那么我们需要使B1的output端口在4ns以前就进入稳定状态，以避免亚稳态的出现

2.3 set_input_delay

在输入端口指定延迟的SDC命令使set_input_delay。在输出端口指定延迟的SDC命令为set_output_delay，他们的约束条件相似，因此终点介绍input_dealy，这个命令的具体BNF如下：

set_input_delay [-clock clock_name]
				[-clock_fall]
				[-level_sensitive]
				[-rise]
				[-fall]
				[-max]
				[-min]
				[-add_delay]
				[-network_latency_included]
				[-source_latency_included]
				delay_value port_pin_list
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2.3.1 -clock clock_name

-clock用来指定参考的时钟，这个时钟是指触发输入端信号的时钟名称。比如下面这幅图片，输入I1由触发器F1驱动，而触发器F1，由Clk1时钟驱动，因此clock_name的名称应该设置为Clk1

2.3.2 -clock_fall

通常情况下，我们讨论的触发器触发条件都是上升沿，因此输入延时也是基于时钟的上升沿指定，但是也存在特殊的下降沿触发，还是上面那张图片，假如F1是由下降沿触发的寄存器，同时延迟为2，我们可以使用如下的sdc进行约束

set_input_delay -clock Clk1 -clock_fall 2.0 [get_ports I1]
set_input_delay -clock Clk1 7.0 [get_ports I1]
#这两条SDC等价的前提使时钟周期为10，因此对于下降沿的2.0 dealy和对于上升沿的7.0 delay等价
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2.3.3 -level_sensitive

如果前级的输出不来自触发器，而来自锁存器，那么我们通过-level_sensitive来进行约束,为什么前级会出现锁存器的原因，和通过锁存器增加setup slack（建立裕度）有关

2.3.4 -rise/fall

这里的rise/fall指的是：输入延迟与输入端口的上升沿/下降沿相对应（注意与-clock_fall的区别，-clock_fall是指前一级触发器是上升沿时钟触发还是下降沿时钟触发），但是通常情况下，我们并不需要单独的指定-rise/fall，这是因为在CMOS电路中，上升沿和下降沿过渡的路径延迟非常相似。

2.3.5 min/max

-min用于限定输入信号端口的最早到达时间的延迟值
-max用于限定输入信号端口的最晚到达时间的延迟值
假如我们不加以单独指定-min/-max，那么他们默认使用相同的设定值，随着工艺的提升，触发器需要的保持时间要求大幅下降，因此我们只需要使用最大值就可以完成检查，而不答需要去关心最小值

2.3.6 -add_delay

假如我们需要在同一个端口指定多个参考时间的输入延迟，我们需要在新的SDC约束上增加“-add_delay”选项，目的是避免后面的约束覆盖前面的约束，案例如下

set_input_delay -clock CLK1 -min 3.0 [get_ports A]
set_input_delay -clock CLK2 3.5 [get_ports A]
#第二句的3.5覆盖掉了第一句的3.0
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set_input_delay -clock CLK1 -min 3.0 [get_ports A]
set_input_delay -clock CLK2 -add_delay 3.5 [get_ports A]
#第二句的3.5和第一句的3.0共存
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2.3.7 时钟延迟

在2.3.7中，我们要讨论的语句是[-network_latency_included]和[-source_latency_included]。
在2.3.1的图片中，假如wire延时为0，Clk1到达F1和B1的时间相同，但是实际的电路中时钟源延迟和网络延迟的存在会使clk信号到达不同步，假如input的delay包括时钟源延迟，指定[-source_latency_included]，计入input的delay包括网络延迟的话，我们需要指定[-network_latency_included]，但是这些语句并不常用。

2.4 set_output_delay

set_output_delay与set_input_delay非常相似，在这里仅列出其BNF指令，具体的内容参考2.3节即可

set_output_delay [-clock clock_name]
				 [-clock_fall]
				 [-level_sensitive]
				 [-rise]
				 [-fall]
				 [-max]
				 [-min]
				 [-add_delay]
				 [-network_latency_included]
				 [-source_latency_included]
				 delay_value port_pin_list
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三、总结

set_input_delay和set_output_delay需要保证正确的设定，以此来确保时序的正确，假如设定不正确，单个的单元电路可能会满足自身时序要求，但整体的集成设计可能会出现时序违例，在讨论set_input_delay的过程中，我们需要关注到：启动时钟才是参考时钟，而在set_input_delay的过程中，采样时钟才是参考时钟。