FPGA的虚拟时钟如何使用？

在我之前写的FPGA时序约束教程中，有一篇中讲到了虚拟时钟：

    FPGA时序约束理论篇之时钟周期约束

但文中对虚拟时钟的应用介绍的还不够详细，因此这里我们再对虚拟时钟做一个更加细致的介绍。

  首先，虚拟时钟用于什么地方？

  虚拟时钟通常用于设定输入和输出的延时，即set_input_delay和set_output_delay。可能有同学忘记这两个约束的用法了，这里我们再展示一下：

set_input_delay 0.5 -clock clkA [get_ports A]
set_output_delay 1 -clock clkB [get_ports B]

其中clkA和clkB就是我们使用create_clock创建的主时钟或者虚拟时钟。

  主时钟在创建的时候需要指定时钟输入端口，虚拟时钟不需要指定端口，所以称之为虚拟时钟。那什么场景下要用到虚拟时钟呢？

1. 外部IO的参考时钟并不是设计中的时钟

下图中，外部IO的参考时钟比设计中主时钟的路径上多了一个BUFFER，因此我们需要使用虚拟时钟来进行约束。

create_clock -name sysclk -period 10 [get_ports clkin]
create_clock -name virtclk -period 10
set_clock_latency -source 1 [get_clock virtclk]
set_input_delay -clock virtclk -max 4 [get_ports dina]
set_input_delay -clock virtclk -min 2 [get_ports dina]

1. FPGA I/O路径参考时钟来源于内部衍生时钟，但与主时钟的频率关系并不是整数倍

如果I/O路径参考时钟源于内部的衍生时钟，那set_input_delay和set_output_delay约束中-clock参数后的时钟不能是衍生时钟，比如下图的例子中，输入10MHz时钟经过了MMCM后去采输入的数据。

image-20211206203529124

a) 如果MMCM没有负的相移而且输出的频率也是10MHz，那么直接使用主时钟来约束input delay。

create_clock -period 100.000 -name clk [get_ports clk]
set_input_delay -clock clk -max 2.000 [get_ports datain]
set_input_delay -clock clk -min 1.000 [get_ports datain]

b) 如果MMCM输出频率是60MHz，那么这个衍生时钟跟主时钟并不是整数倍关系，这时就需要用到虚拟时钟了

create_clock -period 100.000 -name clk [get_ports clk] 
create_clock -name clk_port_vclk -period 16.67
set_input_delay -clock clk_port_vclk -max 2 [get_ports datain]
set_input_delay -clock clk_port_vclk -min 1 [get_ports datain]

1. 在不修改时钟特性的情况下针对I/O指定不同的jitter和latency

这个需求我们可以在Constraints Wizards中指定，简单又方便

image-20211206212729797

在设置完成后，可以看到Tcl Command Preview中提示的约束指令。