今日说“法”：TimeQuest约束外设之诡异的Create Generated Clocks

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最近在altera FPGA里设计一个外设的驱动模块，模块本身逻辑很简单如下图所示，但是模块和外设之间的时序约束问题搞的很头疼,今天先讲讲总结的一些Timequest下外设约束方法，特别是那毫无用户体验而言的Create Generated Clocks用法。

要让外设正确接收FPGA发出的数据，需要dout和clkout满足外设的建立保持时间，如下图所示：

时序分析是基于源reg的Tco、目的reg的Tsu，源reg到目的reg的Tdelay路径延迟以及到两个reg的clk skew计算出来的，现在Timequest不知道外设接收reg和时钟输入端的延迟参数，无法分析，还需分若干步配置：

1.使用Create Clocks建立系统时钟sysclk

create_clock -name {sysclk} -period 20.000 -waveform { 0.000 10.000 } [get_ports {sysclk}]

Timequset里的所有时钟都需要手动设置，首先设置系统时钟，后面的时钟都要基于这个时钟才能生成。

2.使用Create Generated Clocks建立输出时钟clkout

外设的时钟源于FPGA的输出port clkout，如果不建立时钟，timequest只会把clkout当作一个普通的输出引脚，时序分析器认为目的reg缺少驱动时钟，无法分析。Timequest中将通过倍频、分频或者移相等生成的时钟都归为Generated Clocks，你可以使用Create Clocks创建试一下，不会提示创建失败，但是在最后的时序分析里不会加入clkout的clock network delay，Timequest没有你想象的那么智能，知道clkout是从一个分频模块输出，自动加入模块延迟分析，它不知道这些。所以还是使用Create Generated Clocks来创建吧，先填写源时钟sysclk，再填写生成时钟和源时钟的关系，2分频，最后指定target 生成时钟到clkout引脚，这三个步骤看似没问题，结果却是创建失败，提示找不到sysclk到clkout之间的路径，如下所示。

Warning: No paths exist between clock target "clk_out" of clock "clkout" and its clock source. Assuming zero source clock latency.

但是sysclk到clkout明明是有路径的啊，之间的逻辑也很简单，就是一个二分频关系，bdf图如下所示：

clk_div模块的代码如下：

尝试了很多方法都无效，最终实验成功了一种自认为很别扭的方法，“曲线救国”分两步走：

首先Create Generated Clocks 从引脚sysclk 到 寄存器clk_div

create_generated_clock -name {clk_div_r} -source [get_ports {sysclk}] -divide_by 2 -master_clock {sysclk} [get_registers {clk_div:inst4|clk_div}]

再Create Generated Clocks 从寄存器clk_div到输出引脚clk_out

create_generated_clock -name {clkout} -source [get_registers {clk_div:inst4|clk_div}] -master_clock {clk_div_r} [get_ports {clk_out}]

这才把clk_out设置为和sysclk关联的输出时钟。

3. 用set output delay 设置基于clkout时钟的输出dout延迟

set_output_delay -add_delay  -clock [get_clocks {clkout}]  5.000 [get_ports {dout}]，这句话在源reg和目的reg之间搭建起一座桥梁，实现两个作用：

1.告诉分析工具，clkout是目的reg的驱动时钟(但是前提是clkout需要被Timequest认为是个时钟)，dout是目的reg的数据源，分析工具才能计算出路径的clk skew（clkout的clock network delay - sysclk的clock network delay）；

2.告诉了分析工具外设reg的建立时间Tsu和路径延迟Tdelay，这两个参数之和其实就是输出延迟,分别源于外设数据手册和PCB板的走线延迟。

4.设置set max delay和set min delay

如果不需要更严苛的约束，不设置这两个参数也可以。经过前三步，时序分析器已经知道了源reg和目的reg的时钟频率，系统会默认使用时钟频率分析，既最大延迟为时钟周期Tclk，最小延迟为0。这里的set max delay约束Tco和clk skew为了满足外设的建立时间，使(Tclk + clk skew)-(Tco+Tdelay) > Tsu，set min delay 约束Tco和clk skew满足外设的保持时间,(Tco+Tdelay) - clk skew > Th。

5.设置多周期约束

由于本例的特殊性，源时钟是目的时钟的两倍，需要多时钟约束设置，由篇幅所限，下次再细讲。最后可以在Report Timing的Registers to Outputs的setup和hold里看到时序余量分析了。

回顾约束的整个过程，最闹心的就是第二步Create Generated Clocks了，可能一直受altera里的pll设置影响，只要设置源时钟，填好输出输入时钟关系，pll就可以用了，到了Timequest里的生成时钟设置，我也想当然的认为，clkout是由sysclk生成变化而来，源里面只要填sysclk，关系填好就肯定没问题了，但是结果并非这么简单。

再回到第二步，再尝试从sysclk直接Create Generated Clocks指定到输出时钟clkout,发现除了找不到sysclk和clkout之间的路径之外还有一个警告

Warning: Node: clk_div:inst|clk_div was determined to be a clock but was found without an associated clock assignment。

警告clk_div被设置为了时钟，但是没有指定关联的源时钟即没指定clk_div是由哪个时钟生成的，从这个警告推理：我设置的Generated 时钟是clkout，而clkout是由clk_div驱动的，所以Timequest也将clk_div认为是一个时钟路径node，但是我只告诉了Timequest clkout的源时钟是sysclk，而没有告诉它clk_div的源时钟是哪个,所以创建失败，虽然从程序显而易见源也是sysclk，看来我高估了TimeQuest的智商，按照上述的“两步走”方案，第一步就是告知clk_div的源时钟是sysclk,第二步再生成基于clk_div的clkout就ok了

推测Timequest中对Creat Generated Clocks分析过程是这样的:从最终的target Clock端口往回分析，寻找这个时钟路径上的net寄存器，看其是否有关联时钟，如果有，看是否已经指定了，如果指定了则继续反向分析直到源时钟，如果没有则提示创建失败。为了验证这个推测，再级联一个分频模块clk_div如下图所示：

此时该如何建立基于sysclk的输出时钟clk_out呢，从clk_out管脚返回分析，clk_out由ints5|clk_div驱动，ints5|clk_div的关联时钟是inst4|clk_div，inst4|clk_div的关联时钟是sysclk，所以要分三步创建：

1、首先创建基于sysclk的inst4|clk_div。

create_generated_clock -name {clk_div_r} -source [get_ports {sysclk}] -divide_by 2 -master_clock {sysclk} [get_registers {clk_div:inst4|clk_div}]

2、再创建基于inst4|clk_div的inst5|clk_div。

create_generated_clock -name {clk_div_rr} -source [get_registers {clk_div:inst4|clk_div}] -divide_by 2 -master_clock {clk_div_r} [get_registers {clk_div:inst5|clk_div}]

3、最后创建基于inst5|clk_div的clk_out

create_generated_clock -name {clkout} -source [get_registers {clk_div:inst5|clk_div}] -master_clock {clk_div_rr} [get_ports {clk_out}]

验证结果，少了上述任何一步都无法得到正确的输出时钟，比如用Create clk 创建inst4|clk_div 取代第一步，虽然也可以生成clk_out，但最终的输出延迟会减小。

多数工程中，使用分频模块输出时钟的做法并不多，更多的是使用pll，我又尝试了下使用PLL产生一个外部时钟，PLL的源为sysclk，仍然无法直接Create Generated Clocks从sysclk到clk_out，而是首先derive_pll_clocks将所有的PLL输出都设为时钟，再Create Generated Clocks从PLL的时钟输出寄存器到clk_out才可以。