时序约束高级进阶使用详解三：Create_Clock

FPGA芯中的小蚂蚁

于 2025-04-20 17:29:59 发布

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分类专栏： FPGA所知所见所解文章标签： fpga开发时序约束主时钟 create_clock 时序报告

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一、前言

时序约束中，使用Create_clock约束来生成主时钟，主时钟可以说是设计的心脏。主时钟是来自FPGA芯片外部的时钟，通过时钟输入端口或高速收发器GT的输出引脚进入FPGA内部。对于赛灵思7系列的器件，主时钟必须手动定义到GT的输出，对于Ultrascale和Ultrascale+系列的器件，定时器会自动地接入到GT的输出。

生成时钟通常来源于设计内部的时钟管理单元，如MMCM，PLL等，生成时钟是与主时钟（使用create_clock创建的时钟）相关，其来源来自主时钟或其他生成时钟。因此，需先定义主时钟，再定义生成时钟。优点是主时钟变化时生成时钟会同步进行变化。

二、设计示例

2.1 设计代码

module create_clock(CLKIN1,CLKIN2,CLKINSEL,CLKFBIN,rst,d,ff_clkout0_a,ff1);
input CLKIN1,CLKIN2,CLKINSEL,CLKFBIN,rst,d;
output reg ff_clkout0_a,ff1;
reg ff_clkout0,ff0;

 PLLE2_ADV #(
      .BANDWIDTH("OPTIMIZED"),  // OPTIMIZED, HIGH, LOW
      .CLKFBOUT_MULT(8),        // Multiply value for all CLKOUT, (2-64)
      .CLKFBOUT_PHASE(90.0),     // Phase offset in degrees of CLKFB, (-360.000-360.000).
      // CLKIN_PERIOD: Input clock period in nS to ps resolution (i.e. 33.333 is 30 MHz).
      .CLKIN1_PERIOD(0.0),
      .CLKIN2_PERIOD(0.0),
      // CLKOUT0_DIVIDE - CLKOUT5_DIVIDE: Divide amount for CLKOUT (1-128)
      .CLKOUT0_DIVIDE(1),
      .CLKOUT1_DIVIDE(2),
      .CLKOUT2_DIVIDE(4),
      // CLKOUT0_DUTY_CYCLE - CLKOUT5_DUTY_CYCLE: Duty cycle for CLKOUT outputs (0.001-0.999).
      .CLKOUT0_DUTY_CYCLE(0.4),
      .CLKOUT1_DUTY_CYCLE(0.5),
      .CLKOUT2_DUTY_CYCLE(0.5),
      // CLKOUT0_PHASE - CLKOUT5_PHASE: Phase offset for CLKOUT outputs (-360.000-360.000).
      .CLKOUT0_PHASE(0.0),
      .CLKOUT1_PHASE(0.0),
      .CLKOUT2_PHASE(0.0),
      .COMPENSATION("EXTERNAL"),   // ZHOLD, BUF_IN, EXTERNAL, INTERNAL
      .DIVCLK_DIVIDE(1),        // Master division value (1-56)
      // REF_JITTER: Reference input jitter in UI (0.000-0.999).
      .REF_JITTER1(0.0),
      .REF_JITTER2(0.0),
      .STARTUP_WAIT("FALSE")    // Delay DONE until PLL Locks, ("TRUE"/"FALSE")
   )
   PLLE2_ADV_inst (
      // Clock Outputs: 1-bit (each) output: User configurable clock outputs
      .CLKOUT0(CLKOUT0),   // 1-bit output: CLKOUT0
      .CLKOUT1(CLKOUT1),   // 1-bit output: CLKOUT1
      .CLKOUT2(CLKOUT2),   // 1-bit output: CLKOUT2
      // Feedback Clocks: 1-bit (each) output: Clock feedback ports
      .CLKFBOUT(CLKFBOUT), // 1-bit output: Feedback clock
      // Clock Inputs: 1-bit (each) input: Clock inputs
      .CLKIN1(CLKIN1),     // 1-bit input: Primary clock
      .CLKIN2(CLKIN2),     // 1-bit input: Secondary clock
      // Control Ports: 1-bit (each) input: PLL control ports
      .CLKINSEL(CLKINSEL), // 1-bit input: Clock select, High=CLKIN1 Low=CLKIN2
      .RST(rst),           // 1-bit input: Reset
      // Feedback Clocks: 1-bit (each) input: Clock feedback ports
      .CLKFBIN(CLKFBIN)    // 1-bit input: Feedback clock
   );
   // End of PLLE2_ADV_inst instantiation


always@(posedge CLKOUT0,negedge rst)
    if(!rst)
        ff_clkout0<=1'b0;
    else begin
        ff_clkout0<=d;
    end
always@(posedge CLKOUT0,negedge rst)
    if(!rst)
        ff_clkout0_a<=1'b0;
    else begin
        ff_clkout0_a<=ff_clkout0;
    end
always@(posedge CLKIN1,negedge rst)
    if(!rst)
        ff0<=1'b0;
    else begin
        ff0<=ff_clkout0;
    end
always@(posedge CLKIN1,negedge rst)
    if(!rst)
        ff1<=1'b0;
    else begin
        ff1<=ff0;
    end
endmodule

2.2 schematic

生成时钟与主时钟关系可以是分频，倍频，非整数倍频率，相移，占空比切换，以及上述关系的组合。

2.3 no overwriteing

在使用Create_clock约束的时候，存在一个设置项Add this clock to the existing clock（no overwriteing），即不要覆盖已存在的时钟，通俗理解就是如果约束的位置存在create_clock时，不要覆盖，勾选则是两个时钟共存。以如下约束为例，在端口CLKIN1上约束创建了两个主时钟clkin1,clkin1_1,但clkin1_1未勾选no overwriting

create_clock -period 10.000 -name clkin1 -waveform {0.000 5.000} [get_ports CLKIN1]
create_clock -period 10.000 -name clkin1_1 -waveform {0.000 5.000} [get_ports CLKIN1]
create_clock -period 10.000 -name clkin2 -waveform {0.000 5.000} [get_ports CLKIN2]
create_generated_clock -name clkout0 -source [get_ports CLKIN1] -multiply_by 2 -add -master_clock [get_clocks clkin1] [get_pins PLLE2_ADV_inst/CLKOUT0]

查看Clock summary，只有clkin1_1，因clkin1被覆盖了所以没有clkin1

如果clkin1_1勾选no overwriting，约束如下

create_clock -period 10.000 -name clkin1_1 -waveform {0.000 5.000} -add [get_ports CLKIN1]

clock summary中clkin1和clkin1_1同时存在

同时，在时序报告中，会分析clkin1和clkin1_1间的时序结果，即将两者作为独立的时钟

在clock interaction中显示clkin1和clkin1_1的关系为Timed(unsafe)

2.4 约束到非时钟引脚

create_clock如果约束到非时钟引脚上，仍能进行正常时序分析，只是属于不合理的用法

如下示例，约束到LUT单元ff0_i_1/o上，时钟名为clk_lut

create_clock -period 10.000 -name clkin2 -waveform {0.000 5.000} [get_ports CLKIN2]
create_clock -period 10.000 -name clkin1 -waveform {0.000 5.000} [get_ports CLKIN1]
create_generated_clock -name clkout0 -source [get_ports CLKIN1] -multiply_by 2 -add -master_clock clkin1 [get_pins PLLE2_ADV_inst/CLKOUT0]
create_clock -period 9.000 -name clk_lut -waveform {0.000 4.500} [get_pins ff0_i_1/O]

ff0_i_1的输出连接到触发器ff0_reg上

时序分析报告中存在clk_lut到clkin1的时序路径

此时路径的source clock delay为0，data path的起点为ff0_i_1/o

三、Create_clock应用

3.1 时钟输入端口

时钟输入端口使用create_clock创建主时钟是最常见的场景，如下图，在sysclk端口上创建主时钟，时钟经过IBUF和BUFG驱动触发器REGA和REGB

时钟周期为10ns，占空比为50%的约束示例如下：

create_clock -name SysClk -period 10 -waveform {0 5} [get_ports sysclk]

3.2 7系列高速收发器输出管脚

第二种场景是设计中存在高速收发器GT，GT的时钟输出引脚提供时钟，如下连接设计

在gt0的TXOUTCLK引脚上创建主时钟，通过驱动mmcm0来驱动设计中的其他时序单元，

create_clock -name SysClk -period 10 -waveform {0 5} [get_pins gt0/TXOUTCLK]

注意：标题之所以指明7系列器件是因为UltraScale和UltraScale+器件的设计， AMD 不建议在 GT 的输出上定义基准时钟，因为在定义 REFCLK 输入时钟时，将自动衍生 GT 时钟。

3.3 部分原语的输出管脚

如下图，对于instA，因为没有输入IN到输出OUT的arc，sysclk上的时钟无法传播到OUT，此时如果要实现传播后的效果，可使用create_clock在instA/OUT上创建主时钟，从而驱动后面的时序单元。

3.4 主时钟路径上创建主时钟

对于在主时钟驱动的路径上重新创建主时钟的做法是不建议的，如下图，在sysclk上创建了一个主时钟clk0，在clk0驱动的BUFG1上又创建了一个主时钟clk1，clk1将会覆盖传播到该处的clk0，从而导致时序分析时，REGA和REGB间发起时钟和捕获时钟的时钟偏斜较大，分析不准，不符合实际情况。

3.5 虚拟时钟

虚拟时钟是设计中的一种特殊时钟，它的生成不需要物理引脚，通常用于FPGA芯片的外部接口时序分析，因为，外部器件的时钟不会直接连接到FPGA上，所以可以通过虚拟时钟来模拟外部时钟与FPGA引脚的关系。

虚拟时钟通过create_clock约束生成，约束时不指定Source objects，只需设置名称和波形，下图示例为创建周期为10ns的虚拟时钟

create_clock -period 10.000 -name virtual_clcok -waveform {0.000 5.000}

虚拟时钟通常结合set_input_delay和set_output_delay使用

create_clock -period 10.000 -name virtual_clcok -waveform {0.000 5.000}
set_output_delay -clock [get_clocks virtual_clcok] 1.123 [get_ports ff_clkout0_a]
set_input_delay -clock [get_clocks virtual_clcok] 1.110 [get_ports d]

input_delay的报告如下图，输入延时值在data path中体现

3.6 差分时钟的约束

差分时钟因为有两个输入端口，输入时钟的约束怎么约？实际只需要约束差分时钟输入端口中的p端口，也就是IBUFGDS的I端口

create_clock -name clk -period 10 [get_ports clk_I]