靜態(tài)時序之建立時間和保持時間分析

靜態(tài)時序分析包括建立時間分析和保持時間分析。建立時間設(shè)置不正確可以通過降低芯片工作頻率解決，保持時間設(shè)置不正確芯片無法正常工作。

保持時間分析與建立時間分析的電路結(jié)構(gòu)相同。需要分析的變量與建立時間分析的變量相似，包括：C（時鐘信號傳遞到源觸發(fā)器的延時）、E（時鐘信號傳遞到目標(biāo)觸發(fā)器的延時）、B（從源觸發(fā)器到目標(biāo)觸發(fā)器所經(jīng)過的組合邏輯電路的延時）、tco（源觸發(fā)器延時）。

圖一，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

結(jié)合圖一和圖二說明建立時間和保持時間。

建立時間的設(shè)置需保證時鐘信號到達(dá)目標(biāo)觸發(fā)器前，數(shù)據(jù)信號已在目標(biāo)觸發(fā)器穩(wěn)定建立，在圖二波形圖中顯示為Data數(shù)據(jù)的替換的時間點先于E的第二個時鐘上升沿。

保持時間的設(shè)置需保證數(shù)據(jù)信號在目標(biāo)觸發(fā)器穩(wěn)定建立前，數(shù)據(jù)信號可以一直保持，源觸發(fā)器的下一個數(shù)據(jù)信號未替換當(dāng)前信號，在圖二的波形圖中顯示為Data數(shù)據(jù)替換的時間點滯后于E的第一個時鐘上升沿。即滿足如下公式：

tco+B>E-C+th

其中th為保持時間。

圖二，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

圖三是Quartus Ⅱ工具關(guān)于保持時間的分析結(jié)果，圖中紅色字部分顯示保持時間設(shè)置錯誤，原因是Clock Skew>Data Delay，其中ClockSkew=E-C，Data Delay=tco+B。設(shè)計人員可以通過Quarus Ⅱ工具觀測保持時間分析結(jié)果的具體值，如ClockSkew的值為1.018ns等。

圖三，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

設(shè)計人員除了進(jìn)行電路內(nèi)部的時序分析，還需進(jìn)行電路輸入路徑和輸出路徑的時序分析。

輸入路徑的建立時間和保持時間計算：基于內(nèi)部建立時間（intrinsic tsu）和保持時間（intrinsic th），結(jié)合輸入數(shù)據(jù)延時（data delay）和時鐘延時（clock delay），得出如圖四所示的兩個公式（tsu為建立時間、th為保持時間）。

圖四，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

輸出路徑的延時計算公式如圖五所示，將內(nèi)部延時、數(shù)據(jù)延時、時鐘延時相加得出輸出路徑延時。

圖五，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

圖六展示了Quartus Ⅱ工具關(guān)于輸入路徑、輸出路徑時序分析結(jié)果。Quartus Ⅱ工具會分析所有路徑，并將延時最長路徑放置在最靠上的位置。每條路徑的信息包括延時時長、輸入引腳、輸出到的寄存器、時鐘信號。

由圖六可以發(fā)現(xiàn)，輸入路徑（虛擬D觸發(fā)器）最長的建立時間為3ns，大于內(nèi)部D觸發(fā)器建立時間（內(nèi)部D觸發(fā)器的建立時間為0.1ns-0.3ns）。

因此，如果設(shè)計人員需要設(shè)計高性能電路，需要盡可能將數(shù)據(jù)傳遞路徑（包括內(nèi)核運算邏輯和數(shù)據(jù)保存）設(shè)計在芯片內(nèi)部。如果芯片設(shè)計的數(shù)據(jù)路徑經(jīng)過芯片外部器件如SRAM（一種寄存器），芯片性能會大幅下降。

圖六，圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計與方法》

總結(jié)芯片時序分析過程，包括芯片內(nèi)部保持時間分析和建立時間分析、輸入路徑保持時間分析和建立時間分析、輸出延時分析。時序分析在芯片設(shè)計中具有重要作用，如果時序分析結(jié)果不能滿足要求，一般需要修改芯片設(shè)計代碼。

審核編輯：劉清