FPGA设计时序约束十六、虚拟时钟Virtual Clock

一、序言

[二、Virtual Clock](#二、Virtual Clock)

[2.1 设置界面](#2.1 设置界面)

三、工程示例

[3.1 工程设计](#3.1 工程设计)

[3.2 工程代码](#3.2 工程代码)

[3.3 时序报告](#3.3 时序报告)

[3.4 答疑](#3.4 答疑)

四、参考资料

一、序言

在时序约束中，存在一个特殊的时序约束，虚拟时钟Virtual Clock约束，根据名称可看出时钟不是实际存在的，主要是在STA分析时序时提供一个参考。

二、Virtual Clock

相较于create_clock创建主时钟约束到实际的物理位置，虚拟时钟约束时不需要指定约束对象，主要用于辅助内部设计与外部设计进行时序分析。

常用场景如下：

a)外部单元的I/O参考时钟不在设计内部的时钟中

b)FPGA的I/O路径中关联的内部生成时钟和器件内部的源时钟关系不确定(通常是两个时钟周期的比例不是整数时，会引起时序过紧以及不合实际的时序路径要求)

c）在不修改内部时钟的设置时，想要为I/O 延时约束相关的时钟设置不同的时钟抖动与延时时，也可以设置虚拟时钟

注：在被输入或输出时延约束时，虚拟时钟必须先被定义

2.1 设置界面

进入Timing Constraints界面，和主时钟约束使用相同的命令create_clock进行创建，clocks选择Create Clock，单击添加图标或双击Create Clock，进入创建窗口。

设置界面中的说明也解释了不指定源对象source objects时，即是创建的虚拟时钟，其余设置和主时钟的设置相同

已创建周期为10ns的虚拟时钟virtual_clk为例

create_clock -period 10.000 -name virtual_clk -waveform {0.000 5.000} -add

三、工程示例

3.1 工程设计

以下图所示工程为例，其中DUA为FPGA内部设计，外部信号通过in端口进入，并且通过out端口从FPGA输出。

DUA中模块的时钟为clk，周期为10ns。输入端设置虚拟时钟virtual_clkin，周期为10ns，高电平在2-8ns内，输出端的虚拟时钟为virtual_clkout，周期为8ns。输入时延、输出时延都为3ns。

create_clock -period 10.000 -name clk -waveform {0.000 5.000} [get_ports clk] #创建主时钟clk
create_clock -period 10.000 -name virtual_clkin -waveform {2.000 8.000}  #创建虚拟时钟virtual_clkin
create_clock -period 8.000 -name virtual_clkout -waveform {0.000 4.000}  #创建虚拟时钟virtual_clkout
set_input_delay -clock [get_clocks virtual_clkin] -max 3.000 [get_ports in]
set_output_delay -clock [get_clocks virtual_clkout] 3.000 [get_ports -filter { NAME =~  "*" && DIRECTION == "OUT" }]

根据上图连接关系，时序关系见下图，Virtual_clkin的上升沿最迟到达时间为0.6+2.1+输入时延<8ns，最大输入时延最大值为5.3ns。

3.2 工程代码

为了简化DUA，下面将用一个触发器代替DUA

module virtual_clock(rst,in,clk,out);
input  in,rst,clk;
output  out;
reg q;
always@(posedge clk)
    begin
    if(!rst)
        q<=0;
    else 
        q<=in;
    end
assign out=q;

endmodule

综合网表连接图如下图所示，也即一个触发器

3.3 时序报告

summar要求时间即为虚拟时钟virtual_clkin的上升沿到达clk上升沿的时间8ns，input delay为约束值3ns

data path中虚拟时钟Virtual_clkin上升沿在2ns后出现，然后是input delay 3ns。

3.4 答疑

为什么input delay，output delay的虚拟时钟不设置为真实的时钟如上述例子的clk？这是因为实际的时钟clk是没有到外部单元时钟引脚的路径，时序工具无法计算时钟的时延，对于输出时延，由于捕获时钟时延根本不存在，分析结果对于setup检查将会是悲观的，对于hold将会是乐观的。

四、参考资料

用户手册：ug903-vivado-using-constraints-en-us-2022.2.pdf

链接：https://pan.baidu.com/s/17AK_-J4wRXiFLtLTorlrwg?pwd=mylt

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