作者簡介

白櫟旸（筆名：皮特派），廈大通信系碩士，芯片設(shè)計與算法工程師，WiFi芯片算法負責人。先后供職于多家國內(nèi)知名芯片公司和創(chuàng)業(yè)團隊，從事數(shù)字電路架構(gòu)和算法設(shè)計工作，具有豐富的數(shù)字設(shè)計經(jīng)驗和算法經(jīng)驗，以及長期與模擬設(shè)計團隊聯(lián)合設(shè)計數(shù)?；旌想娐返慕?jīng)驗，擅長射頻電路相關(guān)數(shù)字校準算法設(shè)計以及SoC芯片的架構(gòu)設(shè)計，主持研發(fā)的芯片累積產(chǎn)量已達上億顆。作為第一發(fā)明人已獲授權(quán)的國家發(fā)明專利共4項。移知課程《從算法到RTL實現(xiàn)》主講人。

本文將以具體實例來講解時序約束中set_multicycle_path的約束方法及其效果。

本例的波形如圖1所示，圖中有兩根信號。位于上面的信號是被采樣的數(shù)據(jù)，名稱為I2C_SCL_IN。位于下面的信號是要采樣I2C_SCL_IN的時鐘，稱為sdi_clk_dly。由于它是采樣時鐘，在路徑上屬于capture clock。

這里設(shè)定I2C_SCL_IN是每400ns變一次電平，就是說，它的頻率是800ns，從時間0點開始，以高電平為起點。產(chǎn)生I2C_SCL_IN的時鐘是一個虛擬時鐘，即在芯片中不存在的時鐘，命名為vir_clk2。它的頻率自然是I2C_SCL_IN的2倍，即400ns。

sdi_clk2_dly的周期是1600ns，50%占空比，但它的高電平并不是從時間0點開始，而是如圖所示，向右移動了450ns，才開始采樣。sdi_clk_dly用下降沿采樣I2C_SCL_IN。

第一步，我們不設(shè)multicycle path，直接綜合，看綜合結(jié)果。圖 2是setup timing，可以看到，要求的采樣點在1250ns處，就是sdi_clk2_dly的第一個下降沿所在的位置。I2C_SCL_IN信號的發(fā)出點是在1200ns，就是1250ns左邊相鄰的那個I2C_SCL_IN變化沿。

圖3是不設(shè)multicycle path得到的hold timing。采樣位置不變，還是1250ns，但是I2C_SCL_IN信號的分析點1200ns向右移了400ns（一個vir_clk2周期），等于1600ns，即1250ns右邊相鄰的I2C_SCL_IN變化沿。

注：本文舉的例子是launch clock和capture clock不同頻不同相的例子，比較特殊。更多時候，我們遇到的都是同頻同相的，此時，hold timing的分析點將仍然是1250ns這個點。

總結(jié)：在不設(shè)multicycle_path的情況下，setup timing分析點提前hold timing分析點一個周期（launch clock周期）。如本例中，采樣點都是1250ns，但setup timing分析點在1200ns，而hold timing分析點在1600ns，兩點間隔一個lauch clock周期，即400ns。

下一步實驗，我們設(shè)從vir_clk2到sdi_clk2_dly的所有路徑，其setup multicycle值為1，hold multicycle值為0，如圖 4所示。launch clock和capture clock，你選頻率快的那個作為multicycle移動的單位。如果launch clock快，就用-start，如果capture clock快，就用-end。如果是同頻同相的，做了時鐘樹平衡的兩個時鐘，那就隨便你用-start或-end，結(jié)果一樣。setup和hold都要設(shè)，setup設(shè)得比hold大1。

set_multicycle_path 1 -setup -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

set_multicycle_path 0 -hold -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

圖 5是setup分析結(jié)果，比較一下我們什么都不設(shè)的情況，是不是完全一樣呢？

圖 6是hold分析結(jié)果，是不是也跟不約束multicycle結(jié)果一樣呢？

總結(jié)：setup multicycle設(shè)成1，hold multicycle設(shè)成0，跟不設(shè)multicycle結(jié)果一樣。換句話說，不設(shè)multicycle，就相當于給setup multicycle設(shè)成1，給hold multicycle設(shè)成0。由此，我們知道了setup multicycle的默認值是1，hold multicycle的默認值是0。

繼續(xù)我們的實驗。這回把setup multicycle設(shè)成2，把hold multicycle設(shè)成1試試。約束如圖 7所示。

set_multicycle_path 2 -setup -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

set_multicycle_path 1 -hold -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

我們看看效果。采樣點不變，還是1250ns，但是setup分析點變了（如圖 8所示）。原來是1200ns，現(xiàn)在向左移動了400ns，變成了800ns。可以看到，setup的時序冗余度slack放寬了一個lauch clock周期。

這一效果并不意外，因為約束-start -setup，其正方向就是向左移動分析點，我們從默認值1設(shè)為2（2-1=1），就是說向左移動1個lauch clock周期。

再看hold分析結(jié)果（如圖 9所示）：還是默認位置不變，分析點仍在1600ns處。

有人奇怪，明明-start -hold的值從0變成了1，為啥分析結(jié)果不變呢。

因為-start -hold是相對變化，不是絕對變化。它需要根據(jù)setup的分析點位置來定hold的分析點位置，也就是說，hold是以setup分析點作為參考點的（錨點），hold是相對于參考點在移動。雖然-start -hold的值從0變成了1，但setup分析點向左移動了1個周期，hold分析的正方向是與setup相反的。setup向左移動1個周期，那hold設(shè)成1，就意味著hold分析點向右移動1個周期。

有人問：向右？從哪開始向右移？從1600ns嗎？那移動完不就時2000ns了嗎？為啥這里還是1600ns呢？

答案是：從1200ns處向右移1個周期，正好是1600ns。

為什么是從1200ns處移動呢？

因為setup移動時，它并不是獨立地自己左移，它還會帶著hold一起左移。setup從1200移動到800，hold被它帶著，從1600移動到了1200。為了讓hold返回原來的位置1600，我們就增加了-start -hold 這句約束，將左移到1200的hold再右移回來。

為什么非要右移到1600ns呢？在1200ns處分析hold不是挺好的嗎？

好啥呀，采樣點在1250ns，hold意思是在采樣之后數(shù)據(jù)仍然要堅持不動的時間，那應(yīng)該在采樣后分析這個時間呀。1200ns是在采樣前，在采樣前數(shù)據(jù)就變了，那還采個啥？

總結(jié)：setup multicycle設(shè)成2，hold multicycle設(shè)成1，會讓setup timing放寬1個周期（launch clock周期）的時序要求，而hold要求并沒有放寬，也沒有收緊，而是原地不動。

為了證明上文所說的：hold分析點如果不另加約束的話，它會跟著setup的約束而運動。我再增加一個實驗。約束如下（圖 10）：我把對hold的約束注釋掉，咱看看效果。

set_multicycle_path 2 -setup -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly 

#set_multicycle_path 0 -hold -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

setup的效果就不用再貼圖了哈，跟上面的一樣，因為約束一樣嘛，我們重點看hold的分析。

圖 11是hold的分析，它的分析點在1200ns，證明了我上面的說法：hold以setup為錨點，setup動，hold不用約束，自動就跟著動。除非我們加約束把hold再移回去。

最后，我們做個有趣的實驗。我們說，setup的默認值是1，一般設(shè)置，就是從1開始，要放寬對setup的要求，就逐漸提高數(shù)值，比如設(shè)成2、3、4等等。這些設(shè)置的結(jié)果在看完上文后，大家應(yīng)該都能分析。但如果我們把setup設(shè)成0呢，比默認值1還小，那結(jié)果會是怎樣的呢？

我們的時序約束如圖 12所示，hold的設(shè)置仍然注掉，我們看看它的行為。

set_multicycle_path 0 -setup -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly 

#set_multicycle_path 0 -hold -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

在秀時序之前，我們先猜猜結(jié)果會怎樣。設(shè)1是默認位置，即采樣點左邊1個周期。設(shè)2是向左移1個周期，即采樣點左邊2個周期。那么這回我設(shè)成0，應(yīng)該是反方向，向右移，即采樣點右邊1個周期。分析點應(yīng)該在1600ns處。

再看結(jié)果（圖 13），采樣點不在1250ns了，而是換到了-350ns，分析點換成了0ns。跟上面我們分析的一致嗎？

大家看本文第一張時序圖，-350ns，其實就是1250ns時鐘下降沿左邊的相鄰下降沿。我們分析的是1250ns右邊第一個vir_clk2的沿，即1600ns處。而如果采樣點變?yōu)?350ns，那么它右邊第一個vir_clk2的沿，即0ns處。所以我們分析沒錯。

分析是沒錯啦，但為啥平時沒人設(shè)成0呢？大家想想，setup timing是數(shù)據(jù)先發(fā)生，再有一個時鐘來采它。如果時鐘采的時候數(shù)據(jù)還沒發(fā)生，那采的就不是這個數(shù)據(jù)了。我們看到，采樣位置是-350ns，但數(shù)據(jù)實際上是0ns到達的，那能采到這個數(shù)據(jù)嗎？根本不能，所以沒人嘗試過設(shè)成0。我們這里的實驗也僅僅是給大家說明語法而已。

對應(yīng)的hold也貼出來（圖 14），我們hold沒約束，所以跟著setup向右移動，應(yīng)該是移到了400ns?？纯唇Y(jié)果吧。

果然如此，hold分析點在400ns處。

一般，hold就要設(shè)得比setup小1。這樣才能讓hold分析點回到原位。那本例中，setup已經(jīng)設(shè)為0了，難道hold還能設(shè)為-1不成？當然能，約束如圖 15所示。

set_multicycle_path 0 -setup -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

set_multicycle_path -1 -hold -start -from vir_clk2 -to sdi_clk2_dly

setup沒變，我們只看hold。結(jié)果如圖 16所示，果不出所料，hold分析點從原來的400ns，左移到了0ns。約束setup右移，用同樣方法約束hold就是左移。

完結(jié)，希望能夠排除你心中的疑惑。