数字IC设计基本概念之多时钟设计

当设计中使用了多个时钟时，这些时钟域之间的关系可能是synchronous、asynchronous或者exclusive的。如下所示：
Synchronous：

Asynchronous：

Exclusive：

需要人为地指定设计中时钟之间的关系，EDA工具才能正确地分析不同时钟域之间的路径。

Synchronous Clocks

如果两个时钟共享一个时钟源，并且有固定的相位关系，则两个时钟相互同步。除非特别指定，否则EDA工具会假设任意两个时钟是同步的。
`create_clock -period 4 -name CK1 -waveform {0 2}
create_clock -period 4 -name CK2 -waveform {1 3}
create_clock -period 6 -name CK3 -waveform {2 3}
`
以上三个时钟CK1，CK2，CK3在时间0时刻同步。

在实际的设计阶段，需要通过set_clock_groups -logically_exclusive或set_false_path命令指定不同时钟之间的非同步关系。

Asynchronous Clocks

如果在设计中两个时钟域不相互通信，则它们是异步的。例如，片上振荡器产生的时钟与从外部进入芯片的系统时钟异步。两个时钟域中的时钟边沿可以在任何时间发生，没有任何关系。
在这种情况下，EDA不会检查由一个时钟触发并由另一个时钟捕获的时序路径，就像在两个时钟之间声明false path。
要声明两个时钟之间的异步关系，使用set_clock_groups -asynchronous命令。

Exclusive Clocks

如果两个时钟不会交互，则它们是exclusive的。 例如，电路可能将两个不同的时钟信号复用到一个时钟线上，其中一个是用于正常操作的快速时钟，另一个是低功耗运行的慢速时钟。
在任何给定的时间，只有两个时钟中的一个被使能，所以两个时钟不会交互。

为了防止EDA工具花时间去检查exclusive clocks时钟之间的时序关系，你可以声明时钟之间的false path或使用set_clock_groups -logically_exclusive命令将时钟声明为exclusive。否则，你可以使用case analysis来禁用您不想包含在当前的时钟分析。
声明时钟CK1和CK2是exclusive的：
set_clock_groups -logically_exclusive -group {CK1} -group {CK2}
这会使EDA工具忽略从CK1时钟域开始到CK2时钟域结束和从CK2时钟域开始到CK1时钟域结束的任何时序路径。
这就类似于，在CK1至CK2和CK2至CK1之间设置了一个false path。
可以在每个组中指定多个时钟。例如，声明时钟CK1、CK2和CK3、CK4之间是exclusive的：
set_clock_groups -logically_exclusive -group {CK1 CK2} -group {CK3 CK4}
如果指定两个以上的组，则每个组相对于另一个组是exclusive的：
set_clock_groups -logically_exclusive -group {CK1 CK2} -group {CK3 CK4} -group {CK5}
如果仅指定一个组，则该组对于所有其他时钟是exclusive的：
set_clock_groups -logically_exclusive -group {CK1 CK2}
也可以选择为时钟组指定一个名称：
set_clock_groups -logically_exclusive -name EX1 -group {CK1 CK2} -group {CK3 CK4}
时钟组可以是物理exclusive，也可以是逻辑exclusive。物理exclusive时钟之间没有串扰，也没有逻辑互动。在这种情况下，使用-physically_exclusive选项而不是-logically_exclusive选项。这可以防止工具执行时钟网络之间的串扰分析。
使用get_clock_relationship命令报告时钟之间的关系：
get_clock_relationship {CK1 CK2}
要删除时钟分组声明，使用remove_clock_groups命令：
remove_clock_groups -logically_exclusive -name EX1
删除使用set_clock_groups命令进行的所有exclusive时钟分组声明：
remove_clock_groups -logically_exclusive -all

例1：四个时钟和一个选择信号

考虑具有四个时钟CK1，CK2，CK3，CK4的电路示例。默认情况下，EDA工具分析所有时钟组合之间的相互作用。但是，SEL逻辑在任意时刻只会选择两个时钟，CK1和CK3或CK2和CK4。

防止在无关时钟之间进行检查的一种方法是设置false path。例如：
`set_false_path -from CK1-to CK2
set_false_path -from CK2 -to CK1
set_false_path -from CK3 -to CK4
set_false_path -from CK4 -to CK3
set_false_path -from CK1-to CK4
set_false_path -from CK4 -to CK1
set_false_path -from CK2 -to CK3
set_false_path -from CK3-to CK2`
在这种情况下，EDA工具会分析所有时钟的有效组合，而忽略无效的组合。
另一种方法是使用case analysis，在SEL输入上设置逻辑值0或1，
它检查SEL = 0或SEL = 1的特定情况的时间。例如：
set_case_analysis 0 [get_ports SEL]
SEL = 0时，只有CK1和CK3有效，CK2和CK4被忽略。
如果你想分析两种情况下，需要进行两次分析：一次SEL = 0，另一次SEL = 1。
另一种实现相同效果的方法是使用set_disable_timing命令。例如，禁用从CKP2和 CKP4端口开始的时序路径检查：
set_disable_timing [get_ports {CKP2 CKP4}]
另一种方法是指定哪些时钟可以同时有效，以便EDA工具分析所有有效路径。例如：
`
set_clock_groups -logically_exclusive -name E1 -group {CK1 CK3} -group {CK2 CK4}
set_active_clocks [all_clocks]`
如果您只想考虑SEL = 0的情况，可以使用下列命令：
`set_clock_groups -logically_exclusive -name E1 -group {CK1 CK3} -group {CK2 CK4}
set_active_clocks {CK1，CK3}`
设置时钟CK1和CK3有效，意味着CK2和CK4无效。

例2：四个时钟和两个选择信号

下面考虑一个电路示例，其中包含两个独立的时钟选择输入S1和S2：

CK1和CK2之间以及CK3和CK4之间的路径无效，但所有其他路径组合都是可能的。
要检查所有有效路径，同时避免无效路径，可以声明false paths：
`set_false_path -from CK1-to CK2
set_false_path -from CK2 -to CK1
set_false_path -from CK3 -to CK4
set_false_path -from CK4 -to CK3`
另一种方法是使用case analysis并在S1和S2上设置逻辑值来检查特定的情况：
`set_case_analysis 0 [get_ports S1]
set_case_analysis 0 [get_ports S2]`
如果使用case analysis分析所有四个案例，则需要进行四次分析，
使用S1-S2 = 00,01,10和11.
另一种方法是使用set_clock_groups和set_active_clocks命令。 例如，
`set_clock_groups -logically_exclusive -name mux1 -group {CK1} -group {CK2}
set_clock_groups -logically_exclusive -name mux2 -group {CK3} -group {CK4}
set_active_clocks {CK1，CK2，CK3，CK4}`
EDA工具分析从CK1到CK3和CK4和从CK2到CK3和CK4的所有有效路径（反方向也是有效的）。
如果只想考虑S1-S2 = 00的情况，可以使用
set_active_clocks命令：
`set_clock_groups -logically_exclusive -name mux1 -group {CK1} -group {CK2}
set_clock_groups -logically_exclusive -name mux2 -group {CK3} -group {CK4}
set_active_clocks {CK1，CK3}`

多路复用时钟Exclusivity点

芯片设计通常在不同的时间，对于不同的电路会复用不同的时钟。例如，有时候在工作在高性能模式，有时候降低工作频率节省功耗。 多路复用器（MUX）单元用于选择这些时钟，如下图所示：

默认情况下，EDA工具会考虑触发和捕获时钟的所有组合，例如由CK1触发数据并由CK2捕获数据。 但是，对于如图所示时钟复用器，在任何给定时间，三个时钟中只有一个可以在路径上运行。它们是exclusive 时钟。
指定exclusive时钟的一种方法是设置“exclusivity points”以标记引脚，在引脚上一次只能传播一个时钟，如下所示：

对于复杂的时钟MUX，此方法更加方便。

本文转载自公众号：芯片数字实验室
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