SDC是如何炼成的？时钟定义篇

From: 老本 Benjamin RTL2GDS

定义时钟

从最早的芯片规格定义分解出系统所需要的时钟和频率，以及各个模块需要的时钟和频率。

SoC的时钟一般是由PLL产生，然后经过时钟生成电路和分配网络，最终给具体的功能模块使用。

一般地，第三方IP供应商都会提供比较成熟的SDC，SoC集成时需稍作修改。

对于自研的IP和SoC顶层，设计人员在提供RTL的同时，也需提供一份时钟结构图，一方面是方便撰写SDC，另一方面对后端PnR有针对性的进行CTS也非常有帮助。

时钟结构图分不同的层次，或抽象或具体，看具体的需要了，下面是一颗MCU全局时钟分布的结构图，大家有个认识就可以：

基于详细的时钟结构图，定义时钟的命令有两个：create_clock和create_generated_clock

其中，create_clock命令比较简单易懂，格式如下

create_clock [-name clock_name]     -period period_value     [-waveform edge_list]     [-add]     [source_objects]



create_generated_clock命令解析：create_generated_clock命令格式如下，主要是定义generated clock和master clock的关系：

create_generated_clock [-name clock_name]     -source master_pin     [-master_clock clock]     [-edge edge_list]     [-edge_shift shift_list]     [-divide_by factor]     [-multiply_by factor]     [-duty_cycle percent]     [-combinational]    [-invert]     [-add]     source_objects

create_generated_clock 需要指定源时钟(master clock)的master_pin，在CTS时，默认会去balance这两个时钟(即generated clock 和 master clock)，让skew尽可能小。
而且在计算generated clock的clock latency时，会把从master clock pin 到generated clock pin之间的delay也考虑在内。
在工具中report_timing的时候，通过选项-path_type full_clock_expanded可以将master clock的部分也展开。

report_timing -path_type full_clock

report_timing -path_type full_clock_expanded

需要注意：在使用create_generated_clock时，需要保证电路结构和命令的效果是一致的，否则工具在report_timing时会报错，比如下面的错误(UITE-461)，这时就要仔细检查分频电路结构了。

Error: Generated clock 'CLKdiv2 with source pin Udiv/Q' 'rise_edge' is not satisfiable; zerosource latency will be used. (UITE-461)
Error: Generated clock 'CLKdiv2 with source pin Udiv/Q' 'fall_edge' is not satisfiable; zerosource latency will be used. (UITE-461)

简单2分频

先看一个简单的2分频的实际的例子，命令和效果图如下：

create_clock -name SYSCLK     -period 2     [get_ports SYSCLK]

create_generated_clock -name DIVIDE     -source [get_ports SYSCLK]     -divide_by 2     [get_pins FF1/Q]

考虑了edge/edge_shift的3分频实例

下面是3分频的实例，-edge选项中{3 5 9}分别表示SYSCLK的第3、5、9个时钟沿(clock edge)，也分别对应DIV3B的一个完整时钟周期（上升、下降、上升）的时钟沿时间点。

而-edge_shift选项{2.2 2.2 2.2}表示将DIV3B每个时钟沿都往后延迟2.2ns，命令和效果图如下：

create_clock -name SYSCLK     -period 2.2     [get_ports SYSCLK]
create_generated_clock -name DIV3B     -source [get_ports SYSCLK]      -edges { 3 5 9 }     [get_pins U3/Q]
create_generated_clock -name DIV3C     -source [get_ports SYSCLK]      -edges { 3 5 9 }     -edge_shift {2.2 2.2 2.2}     [get_pins U4/QN]

考虑invert/preinvert的实例

create_generated_clock使用-invert/-preinvert选项都表明generated clock与master clock相位相反，但这两个选项的区别是：

• preinvert : Creates a generated clock based on the inverted sense of the master clock.

• invert : Creates an inverted generated clock based on the non-inverted sense of the master clock.

命令和效果图如下：

create_generated_clock -name gclk_pos -source [get_pins FF1/CLK]  -divide_by 2 [get_pins FF1/Q]
create_generated_clock -name gclk_neg -source [get_pins FF1/CLK] -divide_by 2 -preinvert [get_pins FF1/Q]
create_generated_clock -name glk_inv -source [get_pins FF1/CLK] -divide_by 2 -invert [get_pins FF1/Q]

同一点定义多个generated clock

在实际电路中比较常见的情况是，不同的场景下使用不同频率的时钟来驱动电路，如下图所示，同一个时钟，与经过二分频，四分频后的时钟经过MUX输出给电路使用。

这种情况下，需要在UMUX输出点定义三个时钟CLKbypass/CLKdiv2/CLKdiv4，而且这三个时钟在物理上是不能共存的(physically_exclusive)，可以考虑使用以下命令来定义时钟：

create_clock -period 10 CLK
create_generated_clock -name CLKbypass     -source [get_ports CLK]     -master CLK     -divide_by 1     -combinational     -add     UMUX/Y
create_generated_clock -name CLKdiv2     -source FFdiv2/CK     -master CLK     -divide_by 2     -add     UMUX/Y
create_generated_clock -name CLKdiv4     -source FFdiv4/CK     -master CLK     -divide_by 4     -add     UMUX/Y
set_clock_groups -physically_exclusive     -group {CLKbypass}     -group {CLKdiv2}     -group {CLKdiv4}


注意，这种方式定义时钟看似合理，但是容易造成问题，因为在CLK和UMUX/Y之间有三条不同的路径，延迟大小不同，所以在计算timing时，在launch path和capture path上选择的路径会不同，带来悲观的影响，如下图所示，也有可能在计算min_pulse_width时造成假的违例。

在Solvnet上给出了更恰当的处理方式，具体命令如下：

# create parent clock
create_clock -period 10 CLK
# create divide-by-2, divide-by-4 generated clocks
create_generated_clock -name CLKdiv2 -divide_by 2 FFdiv2/Q -source FFdiv2/CK
create_generated_clock -name CLKdiv4 -divide_by 4 FFdiv4/Q -source FFdiv4/CK
# create "MUXed" versions of all clocks arriving at MUX
create_generated_clock -name CLK_mux -combinational UMUX/A -source UMUX/A
create_generated_clock -name CLKdiv2_mux -combinational UMUX/B -source UMUX/B
create_generated_clock -name CLKdiv4_mux -combinational UMUX/C -source UMUX/C
# create divide-by-3 versions of all clocks arriving at FFdiv3
create_generated_clock -name CLK_mux_div3     -divide_by 3 FFdiv3/Q -source FFdiv3/CK -master CLK_mux -add
create_generated_clock -name CLKdiv2_mux_div3     -divide_by 3 FFdiv3/Q -source FFdiv3/CK -master CLKdiv2_mux -add
create_generated_clock -name CLKdiv4_mux_div3     -divide_by 3 FFdiv3/Q -source FFdiv3/CK -master CLKdiv4_mux -add
# apply physical exclusivity to all clock families (generated clocks included)# which are exclusive due to statically switched MUX
set_clock_groups -physically_exclusive     -group {CLK_mux     CLK_mux_div3}     -group {CLKdiv2_mux CLKdiv2_mux_div3}     -group {CLKdiv4_mux CLKdiv4_mux_div3}