set_clock_groups

一、命令参数与工具处理逻辑

核心参数定义

参数 定义 工具行为 工具兼容性
-asynchronous 完全异步时钟组,无任何相位或频率关系(如独立晶振、不同时钟树) 工具完全禁用组间路径的时序分析,但需用户自行处理跨时钟域(CDC)问题  Xilinx Vivado、Intel Quartus、Gowin(等效参数-Exclusive
-logically_exclusive 逻辑互斥时钟组,同一时刻仅一个有效(如MUX选择时钟) 工具认为组间路径逻辑上无法同时激活,直接跳过时序分析,但保留物理路径检查  Vivado、PrimeTime、Synplify Pro
-physically_exclusive 物理互斥时钟组,硬件上无法共存(如不同配置模式、电源域隔离) 工具认为组间路径物理不存在,彻底忽略路径分析,包括时序和串扰  Vivado(需配合-add生成多源时钟)、PolarFire

工具差异说明

  • Gowin:仅支持 -Exclusive 参数,同时覆盖逻辑与物理互斥场景 。
  • Intel Quartus-exclusive 是 -logically_exclusive 的别名,与 -asynchronous 效果相同 。
  • PrimeTime-physically_exclusive 禁用串扰分析,-logically_exclusive 仅禁用时序分析 。

二、全场景应用与命令详解

基础异步时钟组

场景:FPGA外部输入的两个独立晶振时钟(50MHz和100MHz)。
约束

create_clock -period 20 -name clk_50m [get_ports clk_ext1]
create_clock -period 10 -name clk_100m [get_ports clk_ext2]
set_clock_groups -asynchronous  -group clk_50m  -group clk_100m

解释

  • 命令作用:禁用clk_50mclk_100m之间的所有路径分析,包括跨时钟域路径。

  • 替代方案:若使用set_false_path,需双向约束:

set_false_path -from [get_clocks clk_50m]   -to [get_clocks clk_100m]
set_false_path -from [get_clocks clk_100m] -to [get_clocks clk_50m ]
优劣对比set_clock_groups更高效,避免遗漏路径;set_false_path适合局部例外路径

多级MUX生成时钟

场景:两级MUX串联选择时钟,第一级选clk0/clk1,第二级选clk2/clk3
约束

# 第一级MUX生成时钟
create_generated_clock -name mux1_clk0  [get_pins mux1/Y]  -source clk0 -add
create_generated_clock -name mux1_clk1  [get_pins mux1/Y]  -source clk1 -add
# 第二级MUX生成时钟
create_generated_clock -name mux2_clk2  [get_pins mux2/Y]  -source clk2 -add
create_generated_clock -name mux2_clk3  [get_pins mux2/Y]  -source clk3 -add
# 设置互斥组
set_clock_groups -logically_exclusive -group {mux1_clk0 mux1_clk1} -group {mux2_clk2 mux2_clk3}
 

解释

  • 关键点:必须为每个MUX输出定义生成时钟,否则工具无法识别互斥关系 。
  • 工具行为:仅分析同一级MUX的输出时钟路径,跨级路径(如mux1_clk0mux2_clk2)自动忽略 

 动态部分重配置(Partial Reconfiguration)

场景:模块A使用clk_fast运行,模块B重配置时使用clk_slow
约束

create_clock -name clk_fast -period 5 [get_ports clk_fast]  -add
create_clock -name clk_slow -period 20 [get_ports clk_slow]  -add
set_clock_groups -physically_exclusive -group clk_fast -group clk_slow
 

解释

  • 物理互斥必要性:重配置模式下两个模块的时钟物理隔离,路径不存在 。
  • 工具行为:彻底跳过路径分析,时序报告中不显示相关路径,减少报告噪声

测试模式与功能模式时钟

场景:测试时钟TestClk与系统时钟SysClk分时复用同一端口。
约束

create_clock -name TestClk -period 50 [get_ports clk]  -add
create_clock -name SysClk -period 10 [get_ports clk]  -add
set_clock_groups -physically_exclusive -group TestClk -group SysClk
 

解释

  • 替代方案:使用set_case_analysis强制选择模式,但需额外约束且无法动态切换 。
  • 优势:简化约束流程,无需依赖外部条件配置 

生成时钟依赖关系

场景:主时钟clk_main分频生成clk_div,需约束两者为异步。
错误示范

create_clock -name clk_main -period 10 [get_ports clk_in]
create_generated_clock -name clk_div [get_pins div/Q] -source clk_main -divide_by 2
set_clock_groups -asynchronous -group clk_main  # 未包含clk_div,约束不生效!


正确约束

set_clock_groups -asynchronous -group {clk_main clk_div}  -group clk_ext

解释

  • 生成时钟需显式包含:主时钟的set_clock_groups不会自动继承到生成时钟 。
  • 工具行为:若未包含clk_div,工具仍会分析clk_mainclk_div的同步路径。

三、时钟列表设计规范与限制

 时钟列表完整性规则

  • 单组覆盖性:同一时钟不可分属多个互斥组,否则工具报错。

  • 示例错误

set_clock_groups -asynchronous -group clkA -group clkB
set_clock_groups -logically_exclusive -group clkA -group clkC  # clkA重复约束!
 

  • 解决方法:通过多组约束覆盖复杂关系:

set_clock_groups -asynchronous -group {clkA clkB} -group clkC
set_clock_groups -logically_exclusive -group clkD -group clkE
 

 组内时钟关系限制

  • 异步组内时钟同步性:同一异步组内的时钟默认同步,需避免混用不同源时钟。

# 错误:clk1与clk2异步,但被置于同一组
set_clock_groups -asynchronous -group {clk1 clk2} -group clk3
 

  • 正确设计:异步组间时钟必须跨组,组内时钟需同步:

set_clock_groups -asynchronous -group clk1 -group {clk2 clk3}  # clk2与clk3需同步
 

四、工具处理机制深度解析

1. 参数优先级与覆盖性

约束类型 优先级 覆盖范围 典型应用
set_clock_groups 全局禁用组间所有路径 多时钟域交互、复杂时钟拓扑
set_false_path 特定起点/终点的路径 局部路径例外(如复位信号)
set_case_analysis 基于逻辑条件的路径使能 模式选择、测试信号固定

工具行为示例
若同时存在以下约束:

set_clock_groups -asynchronous -group clkA -group clkB
set_false_path -from clkA -to clkC

工具会优先执行set_clock_groups,忽略clkAclkB间路径,但clkAclkC的路径仍受set_false_path约束 。

2. 物理互斥与串扰分析

  • PrimeTime特殊处理
    使用-physically_exclusive时,工具跳过串扰(crosstalk)分析,而-logically_exclusive仅跳过时序分析 。
  • 示例
    set_clock_groups -physically_exclusive -group clk1 -group clk2  # 禁用时序和串扰分析
    set_clock_groups -logically_exclusive -group clk3 -group clk4  # 仅禁用时序分析

五、替代约束策略与选择建议

1. set_clock_groups vs set_false_path

维度 set_clock_groups set_false_path
约束效率 一次性约束所有组间路径 需手动指定起点/终点
维护成本 时钟拓扑变化时仅需修改组定义 路径增减需重新约束
适用场景 多时钟交互、全局时钟域隔离 局部路径例外(如跨模块信号)

选择建议

  • 当超过3个时钟需要两两互斥时,优先使用set_clock_groups
  • 若需保留部分跨时钟域路径(如异步FIFO),配合set_false_path局部禁用 。

2. 物理互斥与set_case_analysis对比

方法 优势 劣势
-physically_exclusive 无需外部条件,自动全局禁用路径 无法动态切换时钟组
set_case_analysis 支持动态模式切换(如Test vs Normal) 需额外约束信号状态,增加复杂度

典型选择

  • 静态配置场景(如烧录模式)用-physically_exclusive
  • 动态切换场景(如运行时模式选择)用set_case_analysis 。

六、总结与最佳实践

  1. 参数选择铁律

    • 异步时钟 → -asynchronous
    • MUX生成时钟 → -logically_exclusive
    • 物理隔离时钟 → -physically_exclusive
  2. 时钟列表设计

    • 确保组内时钟同步,组间时钟异步/互斥。
    • 显式包含所有生成时钟,避免遗漏。
  3. 工具兼容性

    • Gowin统一使用-Exclusive,Vivado区分逻辑/物理互斥 。
    • Intel Quartus中-exclusive等价于逻辑互斥 。
  4. 验证与调试

    • 使用report_clock_interaction检查组间路径是否禁用。
    • 配合report_cdc验证跨时钟域约束完整性 。

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