序章
PLL を logic design で使用して clock を別の clock から生成する場合、 timing tools が周波数と timing が異なる clocks間でどのように関連しているかを把握することを期待するのが一般的です。
Intelの Quartusでは、これはデフォルトでは当てはまりません。これを行うには、 SDC constraints file で derive_pll_clocks コマンドが必要です。実際、このコマンドは、ツールによって自動的に生成されるほぼすべての SDC ファイルに表示されます。
しかし、ここに恐ろしいことがあります： derive_pll_clocks を省略すると、 PLLによって生成された clocks に正しい timing constraints が適用されることが期待されます。もう 1 つの可能性は、 timing constraints がまったく適用されないことです。残念ながら、現実は異なります。 以下に示すように、これらの clocksに対して timing の計算が行われますが、 constraintsが間違っています。そのため、 timing constraints が達成され、すべてが順調であるという印象を受けるかもしれませんが、実際には何も正しく作成されていません。
例
FPGA には 48 MHz を備えた oscillator 入力があるとしましょう (したがって、 period は 20.833 nsです)。 PLL は、 240 MHz (つまり 4.166 ns) を使用して clock を生成します。
最初に、単純で適切に記述された SDC ファイルを見てみましょう。
create_clock -name root_clk -period 20.833 [get_ports {osc_clock}]
derive_pll_clocks
derive_clock_uncertainty
derive_pll_clocks コマンドが存在することに注意してください。
次に、 PLLによって生成された clock によって駆動される 2 つの registers間の path の timing report を見てみましょう。唯一の興味深い部分は赤でマークされています。
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
; Data Arrival Path ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; Total ; Incr ; RF ; Type ; Fanout ; Location ; Element ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; ; ; launch edge time ;
; 4.937 ; 4.937 ; ; ; ; ; clock path ;
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; ; ; source latency ;
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; 1 ; PIN_B12 ; osc_clock ;
; 0.000 ; 0.000 ; RR ; IC ; 1 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|i ;
; 0.667 ; 0.667 ; RR ; CELL ; 2 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|o ;
; 2.833 ; 2.166 ; RR ; IC ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|inclk[0] ;
; 1.119 ; -1.714 ; RR ; COMP ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|observablevcoout ;
; 1.119 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|clk[0] ;
; 3.274 ; 2.155 ; RR ; IC ; 1 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|inclk[0] ;
; 3.274 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 8 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|outclk ;
; 4.336 ; 1.062 ; RR ; IC ; 1 ; FF_X40_Y24_N27 ; clkrst_ins|main_state[0]|clk ;
; 4.937 ; 0.601 ; RR ; CELL ; 1 ; FF_X40_Y24_N27 ; clkrst:clkrst_ins|main_state[0] ;
; 6.774 ; 1.837 ; ; ; ; ; data path ;
; 5.169 ; 0.232 ; ; uTco ; 1 ; FF_X40_Y24_N27 ; clkrst:clkrst_ins|main_state[0] ;
; 5.169 ; 0.000 ; FF ; CELL ; 5 ; FF_X40_Y24_N27 ; clkrst_ins|main_state[0]|q ;
; 5.591 ; 0.422 ; FF ; IC ; 1 ; LCCOMB_X40_Y24_N24 ; clkrst_ins|Equal1~0|dataa ;
; 6.002 ; 0.411 ; FR ; CELL ; 1 ; LCCOMB_X40_Y24_N24 ; clkrst_ins|Equal1~0|combout ;
; 6.370 ; 0.368 ; RR ; IC ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst_ins|the_register|d ;
; 6.774 ; 0.404 ; RR ; CELL ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
; Data Required Path ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; Total ; Incr ; RF ; Type ; Fanout ; Location ; Element ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; 4.166 ; 4.166 ; ; ; ; ; latch edge time ;
; 9.005 ; 4.839 ; ; ; ; ; clock path ;
; 4.166 ; 0.000 ; ; ; ; ; source latency ;
; 4.166 ; 0.000 ; ; ; 1 ; PIN_B12 ; osc_clock ;
; 4.166 ; 0.000 ; RR ; IC ; 1 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|i ;
; 4.833 ; 0.667 ; RR ; CELL ; 2 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|o ;
; 6.912 ; 2.079 ; RR ; IC ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|inclk[0] ;
; 5.119 ; -1.793 ; RR ; COMP ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|observablevcoout ;
; 5.119 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|clk[0] ;
; 7.187 ; 2.068 ; RR ; IC ; 1 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|inclk[0] ;
; 7.187 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 8 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|outclk ;
; 8.199 ; 1.012 ; RR ; IC ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst_ins|the_register|clk ;
; 8.736 ; 0.537 ; RR ; CELL ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
; 9.005 ; 0.269 ; ; ; ; ; clock pessimism removed ;
; 8.985 ; -0.020 ; ; ; ; ; clock uncertainty ;
; 8.890 ; -0.095 ; ; uTsu ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
「latch edge time」行に注意してください。これは、 clockの edge が clock network を介して伝播し (そして clock buffers と配線の delay を蓄積し)、受信側の register が使用する clock になる時間です。 「latch edge time」は単に clockの periodです。これは、同じ clockの同じ rising edge を使用する 2 つの registers 間の path であるためです。そして確かに、 4.166 nsと書かれています。ここまでは順調ですね。
しかし、その後の災害
derive_pll_clocks コマンドを省略するとどうなるか見てみましょう。つまり、 SDC ファイルには次のように書かれています。
create_clock -name root_clk -period 20.833 [get_ports {osc_clock}]
derive_clock_uncertainty
まったく同じ pathの場合、 timing report は次のように述べています。
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
; Data Arrival Path ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; Total ; Incr ; RF ; Type ; Fanout ; Location ; Element ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; ; ; launch edge time ;
; 4.937 ; 4.937 ; ; ; ; ; clock path ;
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; ; ; source latency ;
; 0.000 ; 0.000 ; ; ; 1 ; PIN_B12 ; osc_clock ;
; 0.000 ; 0.000 ; RR ; IC ; 1 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|i ;
; 0.667 ; 0.667 ; RR ; CELL ; 2 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|o ;
; 2.833 ; 2.166 ; RR ; IC ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|inclk[0] ;
; 1.119 ; -1.714 ; RR ; COMP ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|observablevcoout ;
; 1.119 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|clk[0] ;
; 3.274 ; 2.155 ; RR ; IC ; 1 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|inclk[0] ;
; 3.274 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 8 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|outclk ;
; 4.336 ; 1.062 ; RR ; IC ; 1 ; FF_X40_Y24_N19 ; clkrst_ins|main_state[0]|clk ;
; 4.937 ; 0.601 ; RR ; CELL ; 1 ; FF_X40_Y24_N19 ; clkrst:clkrst_ins|main_state[0] ;
; 6.765 ; 1.828 ; ; ; ; ; data path ;
; 5.169 ; 0.232 ; ; uTco ; 1 ; FF_X40_Y24_N19 ; clkrst:clkrst_ins|main_state[0] ;
; 5.169 ; 0.000 ; FF ; CELL ; 5 ; FF_X40_Y24_N19 ; clkrst_ins|main_state[0]|q ;
; 5.583 ; 0.414 ; FF ; IC ; 1 ; LCCOMB_X40_Y24_N24 ; clkrst_ins|Equal1~0|datab ;
; 5.994 ; 0.411 ; FR ; CELL ; 1 ; LCCOMB_X40_Y24_N24 ; clkrst_ins|Equal1~0|combout ;
; 6.361 ; 0.367 ; RR ; IC ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst_ins|the_register|d ;
; 6.765 ; 0.404 ; RR ; CELL ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
+---------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
; Data Required Path ;
+----------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; Total ; Incr ; RF ; Type ; Fanout ; Location ; Element ;
+----------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
; 20.833 ; 20.833 ; ; ; ; ; latch edge time ;
; 25.672 ; 4.839 ; ; ; ; ; clock path ;
; 20.833 ; 0.000 ; ; ; ; ; source latency ;
; 20.833 ; 0.000 ; ; ; 1 ; PIN_B12 ; osc_clock ;
; 20.833 ; 0.000 ; RR ; IC ; 1 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|i ;
; 21.500 ; 0.667 ; RR ; CELL ; 2 ; IOIBUF_X19_Y29_N8 ; osc_clock~input|o ;
; 23.579 ; 2.079 ; RR ; IC ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|inclk[0] ;
; 21.786 ; -1.793 ; RR ; COMP ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|observablevcoout ;
; 21.786 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 1 ; PLL_3 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|pll1|clk[0] ;
; 23.855 ; 2.069 ; RR ; IC ; 1 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|inclk[0] ;
; 23.855 ; 0.000 ; RR ; CELL ; 8 ; CLKCTRL_G13 ; clkrst_ins|altpll_component|auto_generated|wire_pll1_clk[0]~clkctrl|outclk ;
; 24.867 ; 1.012 ; RR ; IC ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst_ins|the_register|clk ;
; 25.404 ; 0.537 ; RR ; CELL ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
; 25.672 ; 0.268 ; ; ; ; ; clock pessimism removed ;
; 25.572 ; -0.100 ; ; ; ; ; clock uncertainty ;
; 25.477 ; -0.095 ; ; uTsu ; 1 ; DDIOOUTCELL_X41_Y24_N4 ; clkrst:clkrst_ins|the_register ;
+----------+----------+----+------+--------+------------------------+------------------------------------------------------------------------------+
したがって、 clock period が 20.833 ns であると仮定するだけで、まったく同じ分析になります (「latch edge time」に注意してください)。分析は PLLを横断しますが、 PLLの出力が別の周波数を持っているという事実を単純に無視することに注意してください。ツールが次のように言っているようです。 derive_pll_clocks コマンドを忘れましたか?問題ない。 PLLの input clock がそれを通り抜けたかのように見せかけます。
率直に言って、この動作が理にかなっているケースは 1 つも考えられません。 PLLの clockを使用して paths の timing を計算しないか、正しく計算してください。しかし、オリジナルの clockの periodを投入するだけですか?これらの誤って計算された paths は、 unconstrained path の概要には表示されません。また、 timing がひどく間違っていることを示す他の兆候もありません。
ツールを守るために、 timing analysis はこの件に関して warnings を生成しますが、 Critical レベルでは何も生成しないため、 FPGA tools が常に生成する warnings の海でそれらを見逃すのは簡単です。
結論
- PLL が関係している場合は、 design に derive_pll_clocks コマンドがあることを確認してください ( PLLの clocksに明示的な constraints を追加していない場合)。
- 必ず timing reportを生成し、それを読んで理解してください。
- 不可能な値を要求して constraints を常にテストし、 failing paths が正しく計算されていることを確認してください。