带skew的时序计算基础分析

一、时序计算基础

组合逻辑的延迟T c ，从FF1/CK到FF1/Q的延迟为T q ，定义Treal = Tq + T c ，从建立时间和保持时间这两个标准去考察T real 。

现在假设clk1和clk2相位对齐且没有skew。我们考虑D2，当clk1的第一个上升沿a发出数据1时，需要经过Treal的时间1才变成2；

在clk2的f沿，我们要想稳定地采到2，需要在采样窗口内到达，即2要在采样沿f之前一段时间就到达；因此要求Treal < Tperiod - Tsetup

另外，要想采到f沿的数据2，除了2要提前一点到之外，2还不能马上变成3，即2要在采样沿之后稳定一段时间；

我们考虑e沿，e沿采1，要求a沿打出的2不能很快就到，即1变成2的时间要在Thold之后；因此要求Treal > T hold 。

所以，T2 = Thold < T real < （Tperiod - T setup ）=T 1 ；T1和T2之间就是数据可以到达的范围；

二、带skew的时序分析

现在我们考虑skew对setup和hold的影响。

对于setup，当 Tcapture > Tlaunch时（正skew）

如果没有skew，那么要求在A点之前1就要变成2，此时不符合要求。

但是有skew存在，setup检查的点从A点延迟到B点，setup检查就满足了。

此时，Treal < （Tperiod - Tsetup + T skew ），即正的skew对setup有好处。

对于hold，当 Tcapture > Tlaunch时（正skew）

不考虑skew的情况下，c沿应该采0，要求0在A之后再变化才算是采稳了。当有skew之后，采样点变成了c沿再加上一个Thold的时间即B点，0可能会采不稳。

此时的要求变成了，Thold + Tskew < T real ，即正的skew让hold更严格。

因此，T2 = (Thold + T skew ) < Treal < (Tperiod - Tsetup + T skew ）=T 1 。

当skew为负的时候，上述公式不变，只是 Tskew的值变成负数。

三、从慢速到快速

setup

clk_slow是9ns，clk_fast是6ns；取最小公倍数，工具只考虑前18ns；

a打出数据1，b打出数据2，c打出数据3，d打出4；

f采1，g采2，i采3，j采4；

对于建立时间来讲，g采2的窗口是最短的；对于g沿，还是一样的分析方法，T2 < Treal < T1

此时T1 = Tb - Tsetup

hold

考虑hold，f沿采1，要求1在f沿到达之后还要保持Thold的时间，实际上很好满足；事实上，2还要到b沿之后并经过Treal的时间才会到；同理，g沿的hold也很好满足；

最严苛的就是在e沿，要求0在Thold时间之后再变化。实际上是有可能发生违反的。此时T2 = T hold ，所以，T2 = T hold < T real < Tb - Tsetup =T 1 。

从慢到快和同频同相的区别：

从慢到快，天然会存在重复采样的问题。例如在上面的例子中，e采0，f采1，g采2，h采2（因为3还要等Treal时间之后才能到达），i采3，j采4。

即launch发出了：1 2 3 4，Capture采到了：1 2 2 3 4。

更为常见的例子是分频的例子，例如clk1 6ns，clk2 12ns。那么capture采到的就是11 22 33 44。

可以通过修改RTL的方式来避免这样的问题，见后续讨论；

四、从快速到慢速

这里可以看到a沿发出bbb，c沿发出ccc；

如果clk_fast每一拍都发一个数据，那么clk_slow必然会漏采数据；

因此实际的数据周期并没有那么快，在这个例子中，数据周期是12ns；即a和b沿发出bbb，c和d沿发出ccc；

此时我们的分析范围是12ns和9ns的公倍数，即36ns；3个周期的data，4个周期的clk_low；此时相当于将从快到慢的问题转化为了从慢到快的问题；

又看到了重复采样的问题，h采到bbb，i采到ccc，j采到ddd，k也采到ddd；

我们可以想办法消掉一个采样沿。例如，在e沿发出j沿来采，setup最紧张，我们让j沿不采，那么e沿发出k沿来采。

如下图所示，在设计中做相应的修改，工具会自动插入一个门控时钟，将clk1中没有用到的时钟沿屏蔽掉了（红色虚线）。

在这个例子中，（1）产生了一个counter，我们的目的是对clk2每四个上升沿去掉一个上升沿；看到一个上升沿加1，大于等于4的时候再从1开始；

再利用counter产生一个D2_vld信号，当cnt为3的时候，D2_valid为0，其余情况都为1。

我们最终是要得到Q2。遇到一个clk2上升沿，先看D2_valid信号。G沿采到aaa，H沿采到bbb，I采到ccc；

到J的时候，D2_valid信号无效，没有采样，毕竟k也可以采到ddd；K采到ddd。

上述RTL也会在clk2上的分支上插入一个icg用来控制这个触发器，将J沿消掉，icg由D2_vld信号控制。

五、multicycle约束

当clk1和clk2是倍数关系的时候，使用multicycle的方式更合适。

从慢到快

例如，Clk1的A沿打2，但是Treal很大（组合逻辑很长，也可以插入FF，变成两条path），大于Tb，到达endpoint的时候，clk2已经过去一个周期了；

工具默认E应该采2，但是现在只能采到1，于是就会报违例；例如可以在F处分析，F处才需要变成2；

以clk2周期为单位（-end），我们以第一个上升沿为起点，向右移动2个clk1周期，即在F分析setup：

set_multicycle_path 2 -setup -endrom clk1 -to clk2

上面这句话，不光移动了setup的检查沿，还移动了hold的检查沿；

未设置multicycle_path 2时，A是第一个launch沿，E是第一个capture沿，D是第零个capture沿；

当设置multicycle_path 2时，第一个capture沿从E移动到F，那么第零个capture沿从D移动到E（工具默认在setup检查沿的上一个上升沿检查hold）；

此时，Tb + T hold < Treal < Tb - T setup ~ + Tb~；

即要求，数据1要一直保持到Tb + Thold之后才能变；其实数据1在clk2第一个上升沿D之后就可以变了；因此还需要做如下设置：

set_multicycle_path 1 –end –hold -from clk1 –to clk2

这条command只会移动hold的检查沿，以clk2周期为单位移动向左移动1个周期，将检查沿移回到D；

即使设置了multicycle path，告诉工具了E沿不去check，RTL代码也需要做相应的修改（考虑计数器，生成使能信号）；以避免输出在有触发沿的时候翻转，造成亚稳态的问题；

从快到慢

假设clk2是clk1的二分频。如前所述，从快到慢的问题应该先转换为从慢到快的问题，再转换为相同周期的问题。

例如，如果clk1是6ns，那么clk2是12ns，D2也是12ns，就和clk2有相同的周期了。因此，尽管从B到G是setup检查最严格的，但实际上rtl也要做相应修改，B沿不发数据，A沿发1，C沿发2。

我们以clk1的周期为单位，将F沿向右移动2个周期，即在G处分析setup：

set_multicycle_path 2 -setup -start -from Clk1 -to Clk2

然后，以clk1的周期为单位，将hold的检查沿移回到F处：

set_multicycle_path 1 -hold -setup -from Clk1 -to Clk2；