芯片設計之PLD靜態(tài)時序分析

靜態(tài)時序分析在電路設計中的作用重要。

如果電路出現(xiàn)建立時間（根據網絡資料理解：為將信號穩(wěn)定建立，數據輸入端信號保持穩(wěn)定的最短時間）錯誤，電路工作速度變慢。

如果電路出現(xiàn)保持時間（根據網絡資料理解：為使傳遞信號正確，輸入信號保持穩(wěn)定的最短時間，若保持時間錯誤，正確的輸入信號會被其他輸入信號覆蓋或不能按時傳輸到對應位置，導致輸入信號錯誤）錯誤，電路可能不能正常工作。

一個芯片電路通常包含四種類型的時序路徑：

（1）從芯片內部的源D觸發(fā)器（發(fā)送數據的觸發(fā)器）開始，經過一系列數據云圖（一系列組合邏輯電路），送達到芯片內部的目標D觸發(fā)器的數據端。

（2）輸入路徑，從芯片的輸入端，經過一系列數據云圖，送達到芯片內部的D觸發(fā)器。

（3）輸出路徑，芯片內部的D觸發(fā)器，經過一系列數據云圖，送達到芯片的輸出端。

（4）信號從芯片輸入端經過一系列組合邏輯電路達到芯片輸出端，時鐘信號對其不產生影響。

所有的時序分析均基于以上四種時序路徑分析。歸納以上四種路徑，所有的輸入信號均來源于芯片輸入端和時鐘輸入，所有的輸出信號都輸出到芯片輸出端或下一個時序器件的輸入端。

圖片來源：學堂在線《IC設計與方法》

Quarus Ⅱ工具（PLD設計工具，PLD是可編程器件，一種芯片的設計方式）有兩種方式進行靜態(tài)時序分析。

一種是自動化的方式，點擊編譯按鈕，Quarus Ⅱ工具會自動完成包括靜態(tài)時序分析、布局布線等工作。

另一種是手動的方式，在大型設計中，設計人員一般會采用手動方式進行靜態(tài)時序分析。手動分析方式既可以通過菜單操作（個人理解：通過鼠標點擊和鍵盤輸入）進行分析，也可以采用Tcl腳本（工具控制語言，個人理解運用代碼控制）進行約束和分析。

下圖藍框內為時序分析結果，需要關注的分析結果包括：時序分析約束的設置、芯片報告的總結、內部時鐘率分析（芯片建立時間和保持時間的報告）、輸入路徑的建立時間和保持時間的報告、輸出的TCO（時鐘輸出延遲）報告、組合邏輯路徑延時報告。

圖片來源：學堂在線《IC設計與方法》

下圖是時鐘周期（Clock Period）的描述。

信號從源觸發(fā)器（圖中標有tco的黃色小矩形）輸出到目標觸發(fā)器（圖中標有tsu的黃色小矩形）需經過內部組合電路B（圖中標有B的圓形），經過內部組合電路B會產生延時。

時鐘信號傳遞到源觸發(fā)器會產生延時C，傳遞到目標觸發(fā)器會產生延時E。因為傳遞到源觸發(fā)器和目標觸發(fā)器的路徑不同，所以C和E不一定相同。

時鐘信號到達觸發(fā)器時，數據會經過tco（Clock to Out）的延時，再經過路徑B（Data Delay）的延時，同時目標觸發(fā)器需要tsu（Setup Time）的延時達到穩(wěn)定。

除上述三個延時外，還需考慮時鐘信號傳遞到觸發(fā)器的延時。若E的延時大于C的延時，數據傳輸時間余量增多，其他條件不變，時鐘周期（Clock Period）可以縮短。若C的延時大于E的延時，數據傳輸時間余量減少，其他條件不變，時鐘周期（Clock Period）需要增加。

綜上，時鐘周期的描述公式如下圖黃色矩形內的公式所示。芯片工作的最高頻率為時鐘周期的倒數。

圖片來源：學堂在線《IC設計與方法》