FPGA时序分析和约束（15）——多周期路径

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一、概述

        在前文中，我们知道了时序异常可以分成3种类型，分别是虚假路径、多周期路径、最小延迟和最大延迟，我们已经详细介绍过来虚假路径，本文中，我们来介绍多周期路径。

        默认情况下，时序工具都是以单周期为单位进行时序路径分析。但是在实际的设计中，单周期对于某些逻辑可能不太准确，导致对它们的时序要求过高，最终造成布线资源的浪费。

        这种情况下，就需要设计人员进行一些额外的约束（设置为多个周期）来放宽对这些路径的约束，这样的路径就称为多周期路径。

二、多周期路径的SDC命令

        用于将路径声明为多周期路径的SDC命令如下：

set_multicycle_path    [-setup]
                       [-hold]
                       [-rise][-fall]
                       [-start][-end]
                       [-from from_list]
                       [-to to_list][-through through_list]
                       [-rise_from rise_from_list]
                       [-rise_to rise_to_list]
                       [-rise_through rise_through_list]
                       [-fall_from fall_from_list]
                       [-fall_to fall_to_list]
                       [-fall_through fall_through_list]
                       path_multiplier
                       [-comment comment_string] 

• path_multiplier 参数是必须指定的，它就是多周期约束中最重要的“多”的体现，即用于设置修改约束路径分析的时钟周期数，该参数的取值必须是大于0的整数。
• -setup和-hold选项用于指定约束命令所针对的是路径的建立时间分析（-setup）还是保持时间分析（-hold）。
• -start和-end选项用于指定约束命令的<path_multiplier>参数是以源时钟（-start）还是以目标时钟（-end）作为参考时钟。
• -from指定约束路径的起始节点
• -to指定约束路径的终止节点
• -through指定约束路径所经过的节点

        其中-through是可选项，-from和-to可以同时指定，也可以只指定其中一个，例如当约束语法中只有-from，就意味着约束将覆盖所有从当前指定起始节点开始的路径。

三、建立/保持规格

        我们首先设定一个大前提，那就是启动元器件和捕获元器件由同一个时钟触发。在默认情况下，setup/recovery分析时的默认的<path_multiplier>参数为1，hold/removal分析时的默认的<path_multiplier>参数为0。使用set_multiplier进行多周期约束，就是要改变时序工具默认的1和0的<path_multiplier>参数。

        需要特别说明的是，保持（hold）时间关系和建立（setup）时间关系是紧密相连的，大多数情况下，可以用以下公式进行计算：

保持时间的时钟周期数 = 建立时间的<path_multiplier>参数  -1 - 保持时间的<path_multiplier>参数

        我们考虑如下的情况：

        在未进行多周期约束之前，时序工具假设启动触发器在A沿启动数据。对于建立分析，考虑在B沿获取数据，因此，在A沿和B沿之间分析建立关系。

        在进行多周期约束时，使用-setup可以使建立分析的捕获沿根据指定的周期数进一步远离A向右移动到C/D等。我们假设进建立的捕获沿通过-setup移动到D沿。出于保持分析的目的，时序分析工具会立即考虑捕获触发器的前一个沿（启动时钟和捕获时钟相同时）。因此，为例捕获保持分析考虑使用C沿。为了保持分析使用-hold开关将捕获沿向左移到B/A，这取决于指定的周期数。一般的做法是，将保持检查恢复到A沿。如果保持检查没有回到A沿，则可能导致路径中插入缓冲器来确保有一定的延迟，这些缓存器会占用硅片的面积和功率。

        基于上述的假设，我们将建立沿移动了3个周期（使其到达D沿）。保持沿自动移动到C沿（前一个沿）。现在，为了恢复它，必须将其移动到两个周期。这可以通过使用-hold开关来实现。

        为了将保持沿移回到A，我们将其移动了两个周期（C->A）。现在它与启动沿处于同一个沿，即在第0个沿（启动沿认为是原点）。

        需要特别注意的是，-setup开关指定周期到（不是“通过”）建立捕获沿将向右移动的周期；-hold开关指定周期通过（不是“到”）保持捕获沿向左移动的周期。如果建立沿移动到第N个沿，则保持沿自动移动到第N-1个沿。为了将其恢复到原始位置，保持检查需要向后移动N-1个周期，使其回到“0”沿。多周期路径规格通常可以在成对的-setup和-hold中找到。如果没有给出-hold规格,则由于建立沿的移动，保持沿保持在其已经移动到的位置。

四、小结

        多周期路径为指定的路径提供了额外的宽松。在指定多周期路径时，我们应该注意：（1）不可预知的路径不能称为多周期路径（2）允许的额外时间量应该与预期的一致。如果路径受限于（即多周期规格允许信号达到更宽的范围）设计的路径，则元器件可能无法以所需的频率运行。

        当我们通过多周期路径规格移动建立沿时，保持沿也会移动。我们需要检查保持沿是否需要恢复到初始位置。在大多数情况下，应该恢复。如果没有恢复保持沿，则设计可能在数据路径中有额外的缓冲器，以增加延迟来满足增加的保持要求。这将导致硅片面积和功耗的增加。