set_multicycle_path的用法示例

作者简介

白栎旸（笔名：皮特派），厦大通信系硕士，芯片设计与算法工程师，WiFi芯片算法负责人。先后供职于多家国内知名芯片公司和创业团队，从事数字电路架构和算法设计工作，具有丰富的数字设计经验和算法经验，以及长期与模拟设计团队联合设计数模混合电路的经验，擅长射频电路相关数字校准算法设计以及SoC芯片的架构设计，主持研发的芯片累积产量已达上亿颗。作为第一发明人已获授权的国家发明专利共4项。移知课程《从算法到RTL实现》主讲人。

本文将以具体实例来讲解时序约束中set_multicycle_path的约束方法及其效果。

本例的波形如图1所示，图中有两根信号。位于上面的信号是被采样的数据，名称为I2C_SCL_IN。位于下面的信号是要采样I2C_SCL_IN的时钟，称为sdi_clk_dly。由于它是采样时钟，在路径上属于capture clock。

这里设定I2C_SCL_IN是每400ns变一次电平，就是说，它的频率是800ns，从时间0点开始，以高电平为起点。产生I2C_SCL_IN的时钟是一个虚拟时钟，即在芯片中不存在的时钟，命名为vir_clk2。它的频率自然是I2C_SCL_IN的2倍，即400ns。

sdi_clk2_dly的周期是1600ns，50%占空比，但它的高电平并不是从时间0点开始，而是如图所示，向右移动了450ns，才开始采样。sdi_clk_dly用下降沿采样I2C_SCL_IN。

第一步，我们不设multicycle path，直接综合，看综合结果。图 2是setup timing，可以看到，要求的采样点在1250ns处，就是sdi_clk2_dly的第一个下降沿所在的位置。I2C_SCL_IN信号的发出点是在1200ns，就是1250ns左边相邻的那个I2C_SCL_IN变化沿。

图3是不设multicycle path得到的hold timing。采样位置不变，还是1250ns，但是I2C_SCL_IN信号的分析点1200ns向右移了400ns（一个vir_clk2周期），等于1600ns，即1250ns右边相邻的I2C_SCL_IN变化沿。

注：本文举的例子是launch clock和capture clock不同频不同相的例子，比较特殊。更多时候，我们遇到的都是同频同相的，此时，hold timing的分析点将仍然是1250ns这个点。

总结：在不设multicycle_path的情况下，setup timing分析点提前hold timing分析点一个周期（launch clock周期）。如本例中，采样点都是1250ns，但setup timing分析点在1200ns，而hold timing分析点在1600ns，两点间隔一个lauch clock周期，即400ns。

下一步实验，我们设从vir_clk2到sdi_clk2_dly的所有路径，其setup multicycle值为1，hold multicycle值为0，如图 4所示。launch clock和capture clock，你选频率快的那个作为multicycle移动的单位。如果launch clock快，就用-start，如果capture clock快，就用-end。如果是同频同相的，做了时钟树平衡的两个时钟，那就随便你用-start或-end，结果一样。setup和hold都要设，setup设得比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

图 5是setup分析结果，比较一下我们什么都不设的情况，是不是完全一样呢？

图 6是hold分析结果，是不是也跟不约束multicycle结果一样呢？

总结：setup multicycle设成1，hold multicycle设成0，跟不设multicycle结果一样。换句话说，不设multicycle，就相当于给setup multicycle设成1，给hold multicycle设成0。由此，我们知道了setup multicycle的默认值是1，hold multicycle的默认值是0。

继续我们的实验。这回把setup multicycle设成2，把hold multicycle设成1试试。约束如图 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

我们看看效果。采样点不变，还是1250ns，但是setup分析点变了（如图 8所示）。原来是1200ns，现在向左移动了400ns，变成了800ns。可以看到，setup的时序冗余度slack放宽了一个lauch clock周期。

这一效果并不意外，因为约束-start -setup，其正方向就是向左移动分析点，我们从默认值1设为2（2-1=1），就是说向左移动1个lauch clock周期。

再看hold分析结果（如图 9所示）：还是默认位置不变，分析点仍在1600ns处。

有人奇怪，明明-start -hold的值从0变成了1，为啥分析结果不变呢。

因为-start -hold是相对变化，不是绝对变化。它需要根据setup的分析点位置来定hold的分析点位置，也就是说，hold是以setup分析点作为参考点的（锚点），hold是相对于参考点在移动。虽然-start -hold的值从0变成了1，但setup分析点向左移动了1个周期，hold分析的正方向是与setup相反的。setup向左移动1个周期，那hold设成1，就意味着hold分析点向右移动1个周期。

有人问：向右？从哪开始向右移？从1600ns吗？那移动完不就时2000ns了吗？为啥这里还是1600ns呢？

答案是：从1200ns处向右移1个周期，正好是1600ns。

为什么是从1200ns处移动呢？

因为setup移动时，它并不是独立地自己左移，它还会带着hold一起左移。setup从1200移动到800，hold被它带着，从1600移动到了1200。为了让hold返回原来的位置1600，我们就增加了-start -hold 这句约束，将左移到1200的hold再右移回来。

为什么非要右移到1600ns呢？在1200ns处分析hold不是挺好的吗？

好啥呀，采样点在1250ns，hold意思是在采样之后数据仍然要坚持不动的时间，那应该在采样后分析这个时间呀。1200ns是在采样前，在采样前数据就变了，那还采个啥？

总结：setup multicycle设成2，hold multicycle设成1，会让setup timing放宽1个周期（launch clock周期）的时序要求，而hold要求并没有放宽，也没有收紧，而是原地不动。

为了证明上文所说的：hold分析点如果不另加约束的话，它会跟着setup的约束而运动。我再增加一个实验。约束如下（图 10）：我把对hold的约束注释掉，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的效果就不用再贴图了哈，跟上面的一样，因为约束一样嘛，我们重点看hold的分析。

图 11是hold的分析，它的分析点在1200ns，证明了我上面的说法：hold以setup为锚点，setup动，hold不用约束，自动就跟着动。除非我们加约束把hold再移回去。

最后，我们做个有趣的实验。我们说，setup的默认值是1，一般设置，就是从1开始，要放宽对setup的要求，就逐渐提高数值，比如设成2、3、4等等。这些设置的结果在看完上文后，大家应该都能分析。但如果我们把setup设成0呢，比默认值1还小，那结果会是怎样的呢？

我们的时序约束如图 12所示，hold的设置仍然注掉，我们看看它的行为。

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

在秀时序之前，我们先猜猜结果会怎样。设1是默认位置，即采样点左边1个周期。设2是向左移1个周期，即采样点左边2个周期。那么这回我设成0，应该是反方向，向右移，即采样点右边1个周期。分析点应该在1600ns处。

再看结果（图 13），采样点不在1250ns了，而是换到了-350ns，分析点换成了0ns。跟上面我们分析的一致吗？

大家看本文第一张时序图，-350ns，其实就是1250ns时钟下降沿左边的相邻下降沿。我们分析的是1250ns右边第一个vir_clk2的沿，即1600ns处。而如果采样点变为-350ns，那么它右边第一个vir_clk2的沿，即0ns处。所以我们分析没错。

分析是没错啦，但为啥平时没人设成0呢？大家想想，setup timing是数据先发生，再有一个时钟来采它。如果时钟采的时候数据还没发生，那采的就不是这个数据了。我们看到，采样位置是-350ns，但数据实际上是0ns到达的，那能采到这个数据吗？根本不能，所以没人尝试过设成0。我们这里的实验也仅仅是给大家说明语法而已。

对应的hold也贴出来（图 14），我们hold没约束，所以跟着setup向右移动，应该是移到了400ns。看看结果吧。

果然如此，hold分析点在400ns处。

一般，hold就要设得比setup小1。这样才能让hold分析点回到原位。那本例中，setup已经设为0了，难道hold还能设为-1不成？当然能，约束如图 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没变，我们只看hold。结果如图 16所示，果不出所料，hold分析点从原来的400ns，左移到了0ns。约束setup右移，用同样方法约束hold就是左移。

完结，希望能够排除你心中的疑惑。