SDC命令详解：使用create_generated_clock命令进行约束（上）

日晨难再

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分类专栏： SDC命令详解 # SDC约束命令文章标签：数字IC SDC命令

于 2023-11-07 22:35:11 首次发布

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有时候，复杂的设计需要多个时钟来完成相应的操作，当设计中有多个时钟存在时，它们需要相互协作或各司其职。有几种时钟可能由其他时钟而派生或者说生成，在定义这些时钟时需要使用创建生成时钟命令create_generated_clock。这类时钟可能是时钟分频器，时钟倍频器和时钟门控。

时钟分频器

时钟分频器产生一个比原始时钟频率更低（周期更长）的时钟信号。典型的时钟分频器是由多个T触发器串联构成的异步计数器。异步计数器的电路如图1所示，产生的时钟波形如图2所示。对于该电路，如果输入的时钟周期是10ns，则clk_1的时钟周期是20ns，clk_2的时钟周期是40ns。

图1 异步计数器

图2 分频器电路时钟波形

时钟倍频器

时钟倍频器是一种通过增加时钟频率来获得更快时钟速度的电路。这种技术通常用于微处理器和内部总线，并配合内部高速缓存以提高处理器的吞吐量。图3给出了一个简单的时钟倍频器电路，电路利用延迟的时钟和原时钟异或产生更高的时钟频率，延迟可以使用反相器或缓冲器得到，产生的时钟波形如图4所示。在一般情况下，通过PLL锁相环实现时钟倍频。

图3 简单的时钟倍频器

图4 倍频器电路时钟波形

时钟门控

自20世纪90年代中期以来，时钟门控成为了一种非常流行的减少功耗的技术。当触发器或寄存器因时钟触发而翻转时，会产生一定的动态功耗。然而，某些情况下，部分电路在特定时间无需工作，此时禁用这些电路的时钟可以减少不必要的功耗，这称为时钟门控。图5给出了门控时钟的一个简单实现，更复杂的实现可以参考以往的文章。

图5 门控时钟

创建生成时钟命令的BNF范式

SDC命令中用于创建生成时钟的命令是create_generated_clock。该命令的BNF为：

create_generated_clock 
    [-name clock_name] [-add] [-master_clock clock]
    [-divide_by divide_factor | -multiply_by multiply_factor]
    [-duty_cycle percent] [-invert]
    [-preinvert] //该选项在SDC 2.2引入
    [-edges edge_list] [-edge_shift edge_shift_list]
    [-combinational] [-comment comment_string]
    -source master_pin source_objects
    //注：该命令的选项和参数顺序任意

标识生成时钟源

就像create_clock命令一样，创建一个生成时钟同样需要它的时钟源对象，简单来说就是生成时钟生成的位置，源对象可以是一个端口(port)或者是一个引脚(pin)。一个生成时钟可能有多个时钟源，当然一个时钟源上也可能有多个生成时钟。

指定生成时钟的源引脚

指定生成时钟的源引脚可以使用-source选项。这个选项指明生成时钟是由哪个引脚或端口上的时钟派生的，这个原时钟被称为master clock（注意，这里不一定要master clock的源对象是该引脚或端口，该引脚或端口也不需要是生成时钟源的扇入，只需要master clock能传播至该引脚或端口即可）。例如，在图1中，可以定义两个生成时钟，生成时钟源对象分别为clk_1和clk_2，源引脚则定义为clk，或者也可以是clk_1_reg/CK（如果已在clk定义了时钟，则会传播至clk_1_reg/CK，需要注意的是时钟无法穿过寄存器传播）。

在这里需要搞清楚，生成时钟源对象和生成时钟源引脚的区别，生成时钟源对象指的是生成时钟定义在哪个位置，而生成时钟源引脚指明了哪个是获得生成时钟的原时钟。

如果一个引脚或端口上有多个时钟传播至此，则无法推断出生成时钟属于哪个master clock，需要显式指明。这可以使用-master_clock选项实现，只需指定参数为master_clock的名字即可。在创建了生成时钟后，开发工具将基于master_clock的属性派生生成时钟的属性（如波形、周期等）。

指定生成时钟的源引脚只是用于确定master_clock及其极性（如果master clock传播至生成时钟源引脚时极性为负，也就是反相的，比如在时钟路径上存在奇数个反相器/与非/或非门，则本文后面谈到的master clock的waveform指的是原waveform反相后的，这将在讨论-preinvert选项时详细说明），对于master clock为传播时钟的情况，master clock到生成时钟的延迟并不依赖源引脚，而是依赖master clock源对象到生成时钟源对象。

在这里有必要说明一下，定义生成时钟的必要性。有人可能会认为，根据master_clock定义生成时钟是不必要的，可以让开发工具自行推断出最后生成的时钟而不去单独创建。但这是错误的，比如对于图1的分频器，如果只在clk处定义了时钟，开发工具不会认为clk_1和clk_2处生成的是时钟信号，因为所有时钟信号在传播到触发器的时钟端后即终止传播，如图6的时钟树报告所示（该报告使用report_transitive_fanout -clock_tree命令产生），故不能用clk_1和clk_2信号去触发后面的触发器，这导致了后面的触发器是无约束的。此时可以在clk_1和clk_2上定义生成时钟，来约束分频时钟控制的触发器。

图6 时钟树报告

生成时钟命名

和普通的时钟一样，每一个生成时钟对象的创建都会给生成时钟命名，使用-name选项可以指定一个生成时钟名，当没有使用选项指定时，默认使用生成时钟源名作为生成时钟名。在有些情况下，-name选项是必须的，比如当使用了-add选项时，关于这点，将在后面进行介绍。

设定生成时钟特性

设定生成时钟的特性可利用以下三个选项当中的一个：

-edges——选项的参数一个列表，指明了生成时钟的边沿是如何与master_clock的边沿对齐的。列表中的第1个数表示生成时钟的第1个上升沿对应master clock的第几个沿（master clock的沿的编号是waveform开始从左到右，从1开始依次增加），第2个数表示生成时钟的第1个下降沿对应master clock的第几个沿，第3个数表示生成时钟的第2个上升沿对应master clock的第几个沿，以此类推。列表中需要至少有3个以上的奇数个沿表示一个完整的周期，生成时钟的周期就是第1个上升沿到最后1个上升沿之间的时间（上升沿-下降沿-上升沿...）。
-divide by——选项的参数是一个除法因子，表示分频倍数，周期通过这个因子翻倍。
-multiply_by——选项的参数是一个乘法因子，表示倍频倍数，周期要除以这个因子。

需要注意的是，尽管时钟是通过周期来定义的，但divide by和multiply_by是针对频率而言的。

总的来说，任何使用-divide_by或multiply_by选项来表示的生成时钟，也可以使用-edges来表示，反之则未必正确。参考图1，假设在clk处定义时钟，在clk_1和clk_2上定义生成时钟。使用-edges创建生成时钟，参数{1 3 5}表示生成时钟的第1个上升沿，对应master clock由的第1个沿（上升沿），生成时钟的第1个下降沿，对应master clock的第3个沿（下降沿），生成时钟的第2个上升沿，对应master clock的第5个沿（上升沿），生成时钟的周期是master clock由waveform开始计算的第1个沿到master clock由waveform开始计算的第5个沿的时间，即20ns（这里所指边沿的位置，不考虑自动推理）。

需要注意的是，使用-divide by选项和-multiply_by选项创建的生成时钟的waveform中的边沿数与master clock相同，而对于-edges选项则没有这个要求。

create_clock -period 10 -waveform {10 15} [get_ports clk]

################################################################################
#可以使用-divide_by
create_generated_clock -source [get_ports clk] 
    -divide_by 2 [get_ports clk_1]
create_generated_clock -source [get_ports clk] 
    -divide_by 4 [get_ports clk_2]

#下面的形式也可以有相同的效果，即其中一种生成时钟的master_clock是另一个生成时钟
create_generated_clock -source [get_ports clk] 
    -divide_by 2 [get_ports clk_1]
create_generated_clock -source [get_ports clk_1] 
    -divide_by 2 [get_ports clk_2]

################################################################################
#使用-edges也可以
create_generated_clock -source [get_ports clk] 
    -edges {1 3 5} [get_ports clk_1]
create_generated_clock -source [get_ports clk]
    -edges {1 5 9} [get_ports clk_2]

#下面的形式也可以有相同的效果，即其中一种生成时钟的master_clock是另一个生成时钟
create_generated_clock -source [get_ports clk] 
    -edges {1 3 5} [get_ports clk_1]
create_generated_clock -source [get_ports clk_1]
    -edges {1 3 5} [get_ports clk_2]

下面展示了使用-divide_by选项创建生成时钟的情况，可以使用report_clock报告设计中的各个时钟的情况，如图7所示，可以看到使用-divide_by选项生成的时钟的第一个上升沿与master clock的第一个上升沿是对齐的，如果使用-edges选项则没有此要求，生成的时钟的第一个上升沿可以与master clock的任何一个沿对齐。

图7 时钟报告

对于使用-divide by选项的生成时钟，除了周期有相应改变外，其他性质有什么变化呢？前面其实已经谈到了一个，使用-divide by选项分频得到的生成时钟的第一个上升沿与master clock的第一个上升沿对齐。对于其他上升下降沿，Design Compiler的处理方式是将周期平均分给所有的上下脉冲，也就是说，无法保证占空比与分频前一致，具体如下例所示。

#定义了一个复杂的时钟波形
create_clock -period 20 -waveform {2 5 12 15} [get_ports clk]

#根据这个时钟使用-divide_by创建分频时钟，结果如图8所示
create_generated_clock -source [get_ports clk] -divide_by 2 [get_ports clk_0]

图8 上升沿对齐，周期在上下脉冲间均分

对于使用-multiply_by选项的生成时钟，无法保证倍频得到的生成时钟的第一个上升沿与master clock的第一个上升沿对齐。Design Compiler的处理方式是将所有沿的出现时间除以倍频因子，这样能保证所有脉冲占空比与之前相同，具体如下例所示。

#定义了一个复杂的时钟波形
create_clock -period 20 -waveform {2 5 12 15} [get_ports clk]

#根据这个时钟使用-multiply_by创建倍频时钟，结果如图9所示
create_generated_clock -source [get_ports clk] -multiply_by 2 [get_ports clk_2]