原创 【博客大赛】3. Define Clocks(Timing Constraints in Vivado)

         Vivado进行时序分析，对时钟的约束是必不可少的，设计中的时钟可分为一下几种：

1.       Primary Clocks 主时钟

2.       Generated Clocks 衍生时钟

3.       Virtual Clocks 虚拟时钟

Primary Clocks

主时钟一般是FPGA外部芯片如晶振提供的时钟，通过FPGA引脚输入。Vivado进行时序分析时，以主时钟的源端点作为延时计算起始点(0ns点)。主时钟的约束命令如下：

create_clock -name -period -waveform {} [get_ports ]

         下面通过几个实例说明一下约束命令：

a.      

create_clock -name clk_main -period 10 -waveform {0 5} [get_ports GCLK]

周期10ns，0ns上升沿，5ns下降沿。

b.      

create_clock -name clk_main -period 10 -waveform {0 2.5} [get_ports GCLK]

周期10ns，0ns上升沿，2.5ns下降沿；与a例周期相同，但是占空比不同，a例中50%，b例中25%。

c.      

create_clock -name clk_main -period 20 -waveform {0 10} [get_ports GCLK]

周期20ns，0ns上升沿，10ns下降沿；与a例占空比相同，都是50%，但是周期不同，a例中10ns，b例中20ns。

Generated Clocks

         衍生时钟是由设计内部产生，一般由时钟模块（MMCM or PLL）或者逻辑产生，并且对应有一个源时钟，源时钟可以是系统的主时钟或者另外一个衍生时钟。约束衍生时钟时，除了定义周期，占空比，还需要指明与源时钟的关系。通过create_generated_clock命令约束衍生时钟，命令如下：

create_generated_clock -name -source -divide_by

图1

         如图1中，主时钟GCLK通过PLL产生两个衍生时钟CLKOUT1和CLKOUT2，其中GCLK—100MHz，CLKOUT1—100MHz，CLKOUT2—10MHz，对于MMCMx, PLLx, BUFR primitives这几种时钟模块，Vivado会自动对主时钟和衍生时钟进行约束。

在Tcl Console中输入report_clocks可以得到时钟报告，以下是未对设计进行任何时钟约束的情况：

图2

         如图2中，衍生时钟CLKOUT1通过逻辑产生一个2分频的衍生时钟CLK_DIV2，CLKOUT1的约束已自动生成，对CLK_DIV2约束指令如下：

create_generated_clock -name CLK_DIV2 -source [get_pins clk_gen_u/clk_out1] -divide_by 2 [get_pins clk_25m_reg/Q]

         生成的时钟报告如下：

         虚拟时钟是在FPGA设计不存在的时钟，但是为什么要引入呢？先看一下图3中结构，FPGA与板上的其它芯片间有数据交互，属于FPGA内部时序单元到输出端口的路径。芯片上的时钟并不是由FPGA提供， Vivado在进行这部分时序分析时并不知道芯片的时钟，因此需要定义一个虚拟时钟，然后约束输出端口的output delay（output delay约束后续博文会介绍）。

图3

         约束虚拟时钟的命令也是create_clock，但是其不需要指定-source，如下指令：

create_clock -period 100.000 -name SCLK -waveform {0.000 50.000}

         时钟报告如下，定义的虚拟时钟SCLK属性为Virtual，无source。