静态时序分析:SDC约束命令set_output_delay详解

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指定延迟值

指定端口、引脚列表

指定参考时钟

简单使用

指定时钟下降沿

指定参考端口、引脚

包含源、网络延迟

指定电平敏感

指定上升、下降沿

指定最大、最小条件

指定不覆盖添加延迟


        本章将讨论使用set_output_delay命令对输出端口(或时序路径终点引脚)的约束。首先需要说明的是,在进行静态时序分析时,任何一条时序路径都需要有约束,约束指的是时序路径的起点(发射触发器)和终点(捕获触发器)都有时钟信号的控制(对于典型时序路径而言)。但是对于起点是输入端口(或时序路径起点引脚)、终点是输出端口(或时序路径终点引脚)的时序路径而言,没有显然的发射触发器、捕获触发器,因此需要使用set_output_delay命令进行约束。

        该指令的BNF范式(有关BNF范式,可以参考以往文章)为:

​set_output_delay
    delay_value port_pin_list
    [-reference_pin pin_port_name] [-clock clock_name] [-clock_fall] [-level_sensitive]
    [-network_latency_included] [-source_latency_included]
    [-rise] [-fall]
    [-max] [-min] [-add_delay]
    //注:该命令的port_pin_list参数一定要放在delay_value参数后

指定延迟值

        延迟值指的是输出端口(或时序路径终点引脚)的数据相对参考时钟的延迟大小,这个参考时钟触发了一个假象的外部捕获触发器,模拟了从数据到达输出端口(或时序路径终点引脚)到捕获触发器有效沿到达捕获触发器的组合逻辑延迟,提供了分析输出端口(或时序路径终点引脚)到捕获触发器时序路径的依据。与set_input_delay命令不同的是,set_output_delay的延迟值中应包含到捕获触发器的建立/保持时间,这一点在后面会说明。

指定端口、引脚列表

         port_pin_list指定了添加输出延迟的端口和引脚,如果指定的对象是引脚,则该引脚所属的单元会被设置为size only,以便综合时进行驱动能力优化。一般情况下,只会对输出端口添加输出延迟,在某些特殊情况下(非典型时序路径),会对引脚添加输出延迟,后面我们只考虑输出端口。

指定参考时钟

        -clock选项指定了参考时钟,它可以是一个虚拟时钟(无源对象),也可以是一个有源对象的时钟。如果不指定-clock选项,则表示这条时序路径是一条非典型时序路径。在现在的设计中,一般都需要指定-clock选项。

简单使用

        在理解了上面三项后,便可以使用简单的set_output_delay命令了,以图1所示的简单D触发器为例。

图1 D触发器的例子

        首先使用create_clock命令以clk端口为源对象创建一个周期为10的时钟。 

create_clock -period 10 [get_port clk]

        我们可以首先看一下D触发器的D引脚到输出端口d的时序报告,如图2所示。 

图2 建立时间时序报告

        可以从报告中看到, 由于输出端口d没有被时钟约束,因此无法进行时序路径的建立时间分析,报告的最后也显示了(Path is unconstrained)。 

        接着我们使用set_output_delay命令在输出端口d上添加一个输出延迟,参考时钟为clk,此时的时序报告如图3所示。 

set_output_delay 0.5 -clock [get_clock clk] [get_port d]

图3 建立时间时序报告

        我们的目的是模拟一个假象的捕获触发器,并满足其建立时间,但由于DC并不知道这个假象的捕获触发器的建立时间,所以需要将建立时间也包含在输出延迟值中,例如此时的输出延迟值0.5可能是外部组合逻辑0.45和假象的捕获触发器的建立时间0.05之和。

        可以从时序报告中看出,d端口的output external delay此时拥有延迟值0.5。可以使用report_port -verbose命令报告端口延迟,如图4所示。 

图4 输出端口延迟报告

指定时钟下降沿

        -clock_fall选项指定了假象的外部发射触发器由下降沿触发。在默认情况下,假象的外部发射触发器由上升沿触发,如图3中的(rise edge)显示的那样。

        下面我们在输出端口d上添加一个输出延迟,参考时钟为clk,指定时钟下降沿,如图5所示,此时的时序报告如图6所示。

set_output_delay 0.6 -clock_fall -clock [get_clock clk] [get_port d]

图5 输出端口延迟报告

图6 建立时间时序报告

指定参考端口、引脚

        -reference_pin选项可以指定延迟的参考引脚,从图3和图6中可以看出,约束端口的参考时钟的clock network latency为0(这是因为我们还没有给参考时钟设置任何延迟),但如果使用了这个选项则clock network latency会包括参考时钟传播到参考引脚的延迟:如果参考时钟是传播时钟,则是源延迟加时钟传播到参考引脚的网络延迟;如果参考时钟是理想时钟,则是源延迟加指定的网络延迟(这是默认的),下面进行举例说明。

        我们给输出端口d设置一个参考端口clk,参考时钟依然为clk,并给时钟clk添加源延迟,如图7所示,注意其中的输出端口d关联的两个clk对象,其中一个是时钟clk,另一个是端口clk。此时的时序报告如图8所示。

set_output_delay 0.7 -reference_pin [get_port clk] -clock clk [get_port d]
set_clock_latency 0.1 -source [get_clock clk]

图7 输出端口延迟报告

图8 建立时间时序报告

        可以看到,此时的clock network delay包含了时钟clk的源延迟。最后需要注意的是,-reference_pin选项不能和即将谈到的-network_latency_included和-source_latency_included选项一起使用。 

包含源、网络延迟

        默认情况下,在进行端口的时序分析时,参考时钟的延迟会被考虑进来。对于理想时钟,延迟包括了源延迟和网络延迟;对于传播时钟,延迟只包括了源延迟,下面对此举例说明。

        首先使用下面的命令,设置时钟clk的网络延迟为0.05,目前它拥有1源延迟和0.05网络延迟。

set_clock_latency 0.05 [get_clock clk]

图9 建立时间时序报告

        从时序报告中可以看出,clock network delay包含了时钟clk的源延迟1+网络延迟0.05。下面我们使用-network_latency_included选项表示时钟的网络延迟已经被包含在delay_value中了,则STA时就不会重复计算网络延迟,如图10、图11所示。

set_output_delay 0.6 -network_latency_included -clock [get_clock clk] [get_port d]

图10 输出端口延迟报告

图11 建立时间时序报告 

        图11中展示的时序报告显示捕获时钟的clock network latency只包含了时钟clk的源延迟,而没有包含网络延迟,可以理解为网络延迟被包括在输出延迟0.6中,原本想指定的输出延迟是0.65,因为要包含了网络延迟而减了0.05(捕获时钟的网络延迟会使时序分析更容易满足,映射到输出延迟就是输出延迟减小了)。

        注意,-network_latency_included选项只能对理想时钟有效,因为默认情况下,传播时钟的clock network latency本就只包含源延迟(除非使用-reference_pin,但-reference_pin不能与这两个选项一起使用)。

        -source_latency_included选项与-network_latency_included选项的用法相似,不同的是,其对理想时钟和传播时钟都有用(很好理解,因为在任何情况下,源延迟是两类时钟共有的)。

指定电平敏感

        -level_sensitive选项指定使用假象的外部捕获锁存器,这允许针对锁存器时序进行特殊的分析。如果不指定该选项,则默认使用假象的外部捕获触发器。 

指定上升、下降沿

        -rise选项用于指定延迟值作用于端口的上升沿、-fall选项用于指定延迟值作用于端口的下降沿。如果这两个选项都没有指定,延迟同时作用于时钟的上升沿和下降沿(相当于它们同时指定)。

        下面的命令改变输出端口d的上升沿输出延迟为0.8,如图12所示。此时的时序报告如图13所示。

set_output_delay 0.8  -rise -clock [get_clock clk] [get_port d]

图12 输出端口延迟报告

图13 建立时间时序报告

  

指定最大、最小条件

        -max选项用于指定延迟值作用于最大路径时序分析(一般情况下,这指建立时间分析),-min选项用于指定延迟值作用于最小路径时序分析(一般情况下,这指建立时间分析)。如果这两个选项都没有指定,延迟同时作用于最大路径和最小路径时序分析(相当于它们同时指定)。

·        下面的命令改变输出端口d的最大输出延迟为0.9,最小输出延迟为0.5,如图14所示。此时的建立、保持时序报告如图15、图16所示。

set_output_delay 0.9 -max -clock [get_clock clk] [get_port d]
set_output_delay 0.5 -min -clock [get_clock clk] [get_port d]

图14 输出端口延迟报告

图15 建立时间时序报告 

图16 保持时间时序报告 

        我们的目的是模拟一个假象的捕获触发器,并满足其保持时间,但由于DC并不知道这个假象的捕获触发器的捕获时间,所以需要将保持时间也包含在输出延迟值中,例如此时的输出延迟值0.5可能是外部组合逻辑0.55减去假象的捕获触发器的建立时间0.05,因为外部组合逻辑使得保持时间更容易满足,即减少信号需要保持的时间。

指定不覆盖添加延迟

        -add_delay选项用于以不覆盖和自动推断的形式添加延迟,下面将举例说明。

        假设如图17所示,已经给输出端口d设置了最小条件的输出延迟,现在如果再添加一个参考时钟为clk1的最小条件的上升沿的输出延迟,则会出现图18所示的覆盖情况。

图17 输出端口延迟报告

图18 延迟覆盖情况

        这不仅仅出现在不同时钟间,就连相同时钟的不同触发沿(是否指定clock_fall选项,也会出现覆盖)。

        如果使用-add_delay选项,则图18、图19的覆盖情况消失,如图20、图21所示。        

图20 延迟不覆盖情况

图21 延迟不覆盖情况 

        -add_delay选项还有一个作用是可以自动推断最差的延迟并覆盖。比如对于图21,如果指定参考时钟为clk的最小条件的输出延迟为0.6并指定-add_delay,则会被忽视,因为0.6大于0.5,这是一个更宽松的最小条件,这是不使用-add_delay选项的命令所不具有的功能。

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