静态时序分析简明教程(六)]时钟组与其他时钟特性

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、时钟组

2.1 引入时钟组

对于同步电路而言，正确的建立时间和保持时间的检测，就可以确保捕获可靠的数据，但是对于异步时钟而言，我们没有办法确定几个时钟之间的相位关系，因此没有办法使用常规的STA分析方法，对于这样的时序路径，我们需要让时序工具加以忽略，时钟组的引入，给予设计人员这样的机会。

2.2 set_clock_group

对于set_clock_group而言，它的BNF（巴斯科范式）表达式如下

set_clock_groups [-name group_name]
				 [-group clock_list]
				 [-logically_exclusive]
				 [-physically_exclusive]
				 [-asynchronous]
				 [-allow_paths]
				 [-comment comment_string]
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我们也将进一步的进行解释

2.2.1 -name

提供时钟组唯一的名称，与时钟常规约束类似，详情可见静态时序分析简明教程(四)时钟常归约束中的3.3节内容，通过-name的形式设定名称。

2.2.2 -group clock_list

-group可以将设定好的单个时钟信号分入各组，案例如下

create_clock -period 10 -name C1 [get_ports A]
#创建一个时钟C1
create_clock -period 13 -name C2 [get_ports B]
#创建一个时钟C2
set_clock_groups -name CLK_GRP -group C1 -group C2
#通过-group的形式把他们放到一个时钟组，时钟组命名为CLK_GRP
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2.2.3 -logically_exclusive|-physically_exclusive|-asynchronous

接下来的这三个命令要放到一块进行讨论，原因是这三个命令是互斥的，在命名时钟组的时候只能挑其中一个使用，虽然使用他们的任意一个都代表时钟组内的时序路径不用考虑，但是他们还是有细微的差别如下

有关于-asynchronous的使用最为频繁，对于异步电路而言，我们频繁的需要使用这个指令来拒绝STA工具分析CDC的路径问题

2.2.4 -allow_path

在工艺进入深亚微米后，由于串扰的影响，建立时间和保持时间的检查也会受串扰的影响而产生变动，当用户希望执行串扰分析时，可以使用-allow_path这个选项，这个选项仅可以和–asynchronous一块，代表执行串扰分析而不禁用时钟之间的时序电路路径。
这种串扰的分析确实也不归设计人员管，所以略过这里即可

2.2.5 -comment

参见静态时序分析简明教程(四)时钟常约束中3.6的内容，使用-comment的尾缀增加时钟注释。

三、其他时钟特性

3.1 过渡时间

理想的时钟边沿，从0到1和从1到0，时间为均0，但是实际上的clk，从0到1和从1到0会在一个有限的时间内完成，我们使用过渡时间来描述信号从一个状态转变为另一个状态的时间，当然什么样的摆幅算0，什么样的摆幅算1，其实是由设计人员决定的，我们可以在30%到70%的区间上定义过渡时间。

时钟的过渡时间使用set_clock_transition来描述，该指令的BNF为

set_clock_transition [-rise]
					 [-fall]
					 [-max]
					 [-min]
					 clock_list
					 transition_time
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需要注意的是，该指令仅用于预布局阶段，在时钟树生成之后，该指令不应再用于时序分析
该指令的案例如下：

#设置C1的上升沿过渡时间
set_clock_transition -rise 0.2 [get_clocks C1]


#设置C2的下降沿最大和最小的过渡时间
set_clock_transition -fall -min 0.2 [get_clocks C2]
set_clock_transition -fall -max 0.4 [get_clocks C2]


#设计所有时间的过渡时间
set_clock_transition 0.3 [all_clocks]
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3.2 偏移与抖动

抖动：由于晶振本身稳定性，电源以及温度变化等原因造成了时钟频率的变化，指的是时钟周期的变化。
偏斜：同样的时钟产生的多个子时钟信号，他们之间存在的延时差异。是时钟相位上的不确定。
抖动和偏斜，都会影响建立时间和保持时间检查的要求，为了应对这种不确定性，我们可以使用set_clock_uncertainty去进行偏移与抖动的约束，它的BNF表达式如下所示

set_clock_uncertainty [-from|rise_from |-fall_from from_clock]
					  [-to|-rise_to|-fall_to to_clock]
					  [-setup]
					  [-hold]
					  [-rise]
					  [-fall]
					  [object_list]
					  Uncertainty_value
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我们可以通过上面的语句，分别设置上升沿/下降沿的不确定度，亦或是设置建立时间/保持时间的不确定度，同样可以设置某两个点之间的不确定度，比如

# 从C1到C2的建立时间和保持时间的不确定度
set_clock_uncertainty -from C1 -to C2 -setup 0.5
set_clock_uncertainty -from C1 -to C2 -hold 0.5
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而通常情况下，作为SDC交付的第一版，在同步电路中，DE人员也可以简略的将不确定度设置为

set_clock_uncertainty 0.5 [get_clocks CLK]
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3.3 时钟延迟

时钟延迟主要是指，源时钟（通常为PLL）和时钟触发的设备之间的延迟，它有两个来源，分别是源延迟和网络延迟，一个形象的图片描述如下

我们可以通过set_clock_latency来建模网络延迟，不需要建模源延迟的原因是它的延迟与时钟树相关，要在布局布线后才能得到，该指令的BNF为

set_clock_latency [-rise]
				  [-fall]
				  [-min]
				  [-max]
				  [-source]
				  [-late]
				  [-early]
				  [-clock clock_list]
				  delay
				  object_list
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通过-rise/fall来指定上升沿和下降沿的延迟，通过-min和-max指定最小延迟和最大延迟，通过-source指定设置延迟的源组件，通过-late/-early来设置最长路径延迟和最短路径延迟

四、总结

在第二章中，我们讨论了一个复杂的电路设计不可能只存在一个时钟域，面对不可避免地多时钟域问题，我们采用时钟组的方式来描述不同时钟之间的关系。
而在第三章中，我们使用SDC命令去约束和描述那些非理想的时钟特性，如过渡时间、偏移、抖动、延迟等。
虽然说在布局布线完成后，他们的数值或者形态会发生改变，但这些约束依旧值得学习，因为他们在整个芯片设计的前面阶段为我们提供了重要的参考。